壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測(cè)量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測(cè)量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。

1954年C.S.史密斯詳細(xì)研究了硅的壓阻效應(yīng)，從此開始用硅制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)式的。后來在 N型硅片上定域擴(kuò)散P型雜質(zhì)形成電阻條，并接成電橋,制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。采用這種芯片作為敏感元件的傳感器稱為擴(kuò)散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結(jié)構(gòu)，因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動(dòng)態(tài)測(cè)量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺點(diǎn)。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷，而且能將電阻條、補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)整電路集成在一塊硅片上，甚至將微型處理器與傳感器集成在一起，制成智能傳感器（見單片微型計(jì)算機(jī)）。這種新型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:①頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上),適于動(dòng)態(tài)測(cè)量;②體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米），適于微型化；③精度高，可達(dá)0.1～0.01%；④靈敏高,比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍，有些應(yīng)用場(chǎng)合可不加放大器；⑤無活動(dòng)部件，可靠性高，能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。其缺點(diǎn)是溫度影響較大（有時(shí)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償）、工藝較復(fù)雜和造價(jià)高等。

當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(jì)（見電阻應(yīng)變計(jì)），前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應(yīng)變），而且前者的靈敏度比后者大50～100倍。

這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線（概述圖）。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測(cè)壓力的。概述圖中硅膜片的一面是與被測(cè)壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為20～60。在圓形硅膜片(N型)定域擴(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱。圖2中是兩種微型壓力傳感器的膜片，圖中數(shù)字的單位為毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條　，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。

壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力,局部壓力和整個(gè)壓力場(chǎng)的測(cè)量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測(cè)量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈動(dòng)壓力和機(jī)翼的抖動(dòng)等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中心壓力的測(cè)量中，使用專門設(shè)計(jì)的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500℃以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個(gè)傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測(cè)工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測(cè)量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。圖3是一種用于測(cè)量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測(cè)量、真空測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及諸如測(cè)量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測(cè)量。此外，在油井壓力測(cè)量、隨鉆測(cè)向和測(cè)位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測(cè)以及流量和液位測(cè)量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。

固態(tài)壓阻式傳感器是利用壓阻效應(yīng)制成的硅單晶膜片式結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)傳感器。其核心敏感元件是在周邊固定的硅單晶膜片上，采用集成工藝，在適當(dāng)位置擴(kuò)散4個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻，并將它們接成電橋。膜片兩側(cè)分別為密封真空腔和通入氣的氣壓腔。當(dāng)膜片兩側(cè)存在氣壓差時(shí)，膜片變形，應(yīng)變電阻在應(yīng)力作用下阻值變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓。 2100433B

壓阻式傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測(cè)量電路就可得到正?比于力變化的電信號(hào)輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度）的測(cè)量和控制。?

當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形，使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。?

這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(jì)，前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化，而且前者的靈敏度比后者大50～100倍 。?

壓阻式傳感器是在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻，這四個(gè)電阻接成惠斯登電橋。當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)電阻的阻值增加，增另外由于溫度影響，使每個(gè)電阻都有變化量。且用線性方程近似求解可充分利用較為成熟的線性方程組的數(shù)值方法理淪，使問題大大簡化，因此在實(shí)際應(yīng)用中仍具有重要意義，而參量變化較大時(shí)，忽略交叉靈敏度對(duì)于求解精度影響較大。

壓阻式壓力傳感器交叉靈敏度分析

交叉靈敏度既與傳感器應(yīng)變片自身的壓阻系數(shù)、彈性模量、溫度系數(shù)有關(guān)，又與電橋的供電電壓有關(guān)，因此應(yīng)變和溫度同時(shí)作用于傳感器時(shí)，傳感器的輸出不是應(yīng)變和溫度單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的輸出量的簡單迭加，還存在著熱力學(xué)和力學(xué)量的相互作用，這個(gè)作用反映為交叉靈敏度，其大小反映了這種相互作用的程度。

實(shí)際上，交叉靈敏度反映了在不同應(yīng)變時(shí)，溫度靈敏度不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著應(yīng)變的變化而變化，交叉靈敏度的大小描述了溫度靈敏度偏離常數(shù)的程度。實(shí)驗(yàn)中通過在不同應(yīng)變下測(cè)量溫度靈敏度，作出ST-ε曲線，該曲線的斜率便反映了交叉靈敏度的大小。

壓阻式壓力傳感器計(jì)算實(shí)例

以IC Sensors公司的S17-30A型傳感器為例，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器AD7731把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量—6位16進(jìn)制原碼，再把16進(jìn)制的原碼送入AT89c52單片機(jī)，由單片機(jī)送出原碼值。實(shí)驗(yàn)中以標(biāo)準(zhǔn)壓力作為輸入，測(cè)取不同溫度條件下16進(jìn)制的原碼值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)，利用方程(7)進(jìn)行計(jì)算。首先在同一溫度不同壓力條件下，然后再在同一壓力不同溫度條件下借助MATLAB語言分別解矩陣得：

Sε，ST計(jì)算結(jié)果與傳感器自身的技術(shù)指標(biāo)非常接近，而交叉靈敏度SεT的技術(shù)指標(biāo)只能通過上述方法或類似方法求出。