圧力センサーはさまざまな産業用途で重要なデバイスであり、その性能は使用されるコア技術に大きく依存します。圧力感知要素、つまりコアは、これらのデバイスの心臓部であり、その精度、安定性、および特定の使用ケースへの適合性を決定します。
この記事では、スパッタ薄膜圧力センサー、ピエゾ抵抗シリコン圧力センサー、ひずみゲージ圧力センサー、セラミック厚膜圧力センサー、セラミック容量性圧力センサーなど、最も広く使用されている圧力センサーの種類を探ります。それらの動作原理、利点、制限、および理想的な用途を比較します。
1. スパッタ薄膜圧力センサー
動作原理
スパッタ薄膜技術は、通常、セラミックまたはシリコンベースの基板に金属または金属合金の薄膜を堆積させることを含みます。薄膜は抵抗要素にパターン化され、圧力が加えられると抵抗が変化します。これらのセンサーは、高い安定性と精度のために通常、高性能用途で使用されます。
利点
高い長期安定性と精度: スパッタ薄膜センサーは、優れた長期安定性と高精度を提供します。
広い圧力範囲: 低圧から非常に高圧まで、広い圧力範囲に対応できます。
温度補償: ピエゾ抵抗センサーに比べて温度変化の影響を受けにくいです。
強い過負荷能力: 定格限界を超える条件に耐え、損傷や性能の大幅な低下を伴わずに、圧力、温度、その他の動作条件の変動が予期せず発生する可能性のある用途に適しています。
制限事項
高コスト: 複雑な製造プロセスのため、これらのセンサーはより高価になる傾向があります。
用途
スパッタ薄膜センサーは、航空宇宙、産業オートメーション、高圧システム、油圧システム、重機で広く使用されています。
2.ピエゾ抵抗シリコン圧力センサー
動作原理
ピエゾ抵抗圧力センサーは、特定の半導体材料（通常はシリコン）の抵抗が機械的ひずみを受けると変化するという原理に基づいて動作します。通常、シリコンダイアフラムが使用され、圧力が加えられるとダイアフラムが変形します。この変形により材料の抵抗が変化し、それが測定されて圧力の読み取りに変換されます。
利点
高感度と精度: シリコンベースの圧力センサーは、優れた感度と正確な測定で知られています。また、安定性も良好です。
小型サイズ: この技術はコンパクトな設計を可能にし、スペースが限られている用途に理想的です。
コスト効率: ピエゾ抵抗センサーは比較的安価に製造できます。
制限事項
温度感度: これらのセンサーは温度変動に敏感であり、追加の補償が必要になる場合があります。
限定的な圧力範囲: 通常、中圧用途に使用され、極端な条件下では性能が低下する可能性があります。
用途
ピエゾ抵抗シリコンセンサーは、自動車、医療機器、HVACシステムで一般的に使用されており、高精度とコンパクトさが重要です。
3. ひずみゲージ圧力センサー
動作原理
ひずみゲージ圧力センサーは、伸縮または圧縮されると抵抗が変化する抵抗器であるひずみゲージを使用して動作します。ひずみゲージは通常、圧力がかかると変形するダイアフラムに接着されています。ひずみゲージの抵抗の変化を測定して、加えられた圧力を決定します。
利点
高精度: ひずみゲージは高精度と信頼性で知られています。
広い用途範囲: さまざまな圧力範囲、低圧から非常に高圧まで、用途に応じて使用できます。
低コスト: この技術は非常に成熟しており、経済的に非常に合理的です。
制限事項
温度の影響: ひずみゲージは温度変化の影響を受ける可能性があり、補償が必要になる場合があります。
複雑なキャリブレーション: ひずみゲージベースのシステムは、精度を確保するために正確なキャリブレーションが必要です。
用途
ひずみゲージセンサーは、航空機、医療機器、産業機械など、高精度を要求される用途で使用されます。
4. セラミック厚膜圧力センサー
動作原理
セラミック厚膜センサーは、抵抗膜でコーティングされたセラミック基板に基づいています。この膜は、厚膜プロセスを使用して適用され、導電性材料がセラミックに堆積されます。圧力が加えられるとセンサーの抵抗が変化し、それが読み取り可能な電気信号に変換されます。
利点
高耐久性: セラミック圧力センサーは、過酷な環境、高温、攻撃的な化学物質に対して耐性があります。強い耐腐食性を持っています。
広い圧力範囲: 低圧および高圧、温度の両方の用途に適しています。
コスト効果: 薄膜センサーよりも安価に製造できます。
制限事項
低精度: 薄膜センサーやピエゾ抵抗センサーと比較して、セラミック厚膜センサーは通常、精度が低いです。
用途
セラミック厚膜センサーは、自動車システム、医療機器、油圧システム、冷凍システムで一般的に使用されます。
5. セラミック容量性圧力センサー
動作原理
セラミック容量性圧力センサーは、コンデンサの一部を形成するダイアフラムを利用します。圧力が加えられると、ダイアフラムが動き、コンデンサプレート間の距離が変わり、容量が変化します。この容量の変化が測定され、圧力データに変換されます。
利点
高精度と安定性: これらのセンサーは、変動する環境条件でも時間とともに非常に高い精度と安定性を持っています。
高感度: セラミック容量性センサーは、特に低圧範囲で優れた感度を提供します。
低消費電力: これらのセンサーは他のタイプよりも少ない電力を必要とします。
制限事項
機械的衝撃に対する感度: 機械的衝撃や振動に敏感であり、性能に影響を与える可能性があります。
用途
セラミック容量性圧力センサーは、高精度が求められる用途、例えば医療機器、自動車センサー、産業用圧力監視システムで使用されます。
6. 適切な圧力センサーの選び方
市場には多くの種類の圧力トランスミッタがあるため、どのようにして適切なものを選ぶのでしょうか？一般的には、以下の要因に依存します。
圧力範囲
用途の圧力範囲に合ったセンサーを選択してください。測定する最大および最小圧力をセンサーが処理できることを確認してください。
圧力の種類
圧力は、ゲージ圧、絶対圧、差圧に分けられます。ゲージ圧センサーは大気圧に対する相対圧を測定します。絶対圧センサーは完全な真空に対する圧力を測定します。差圧センサーは2つの圧力の差を測定します。用途のニーズに基づいて選択してください。
環境条件
センサーが必要な温度制限および環境内で動作できることを確認してください。異なる環境に適した材料を選択してください。
精度
センサーが必要な精度を提供することを確認してください。重要な用途には高精度が不可欠です。
出力信号
異なるセンサーは異なる信号を提供します。例えば、アナログ出力（例: 4-20mA、0-10V、0.5-4.5V）、デジタル出力（例: RS485、Modbus）。
電源
システムの要件に合った電源を持つセンサーを選択してください。例えば、DC電源、バッテリー電源、またはソナー電源。
耐久性と寿命
センサーのIP評価、耐爆性能を考慮してください。過酷な環境向けに設計されたセンサーは通常、長持ちし、メンテナンスが少なくて済みます。
コスト
製品コストに加えて、時間とともに発生するメンテナンスおよび校正コストも考慮してください。
7. 結論
適切な圧力センサーを選ぶには、いくつかの重要な要素とセンシング技術を評価する必要があります。ピエゾ抵抗、容量性、スパッタリングフィルム、またはセラミックのいずれであっても、特定の用途要件に合致する必要があります。
