壓阻式壓力傳感器

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 。

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(jiǎn)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(jiǎn)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。

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。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。?

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。?

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。?

硅壓阻式壓力傳感器都由3個(gè)基本部分組成（圖2）：①基體，直接承受被測(cè)應(yīng)力；②波紋膜片，將被測(cè)應(yīng)力傳遞到芯片；③芯片，檢測(cè)被測(cè)應(yīng)力。芯片是在硅彈性膜片上，用半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4個(gè)感壓電阻，將他們連成惠斯通電橋構(gòu)成了基本的壓力敏感元件。

膜片即是力敏電阻的襯底，又是外加應(yīng)力的承受體，所以是壓力傳感元件的核心部分。在硅膜片上的背面要用機(jī)械或化學(xué)腐蝕的方法加工成中間很薄的凹狀，稱為硅杯，在它的正面制作壓阻全橋。如果硅杯是圓形的凹坑，就稱為圓形膜片。膜片還有方形、矩形等多種形式。當(dāng)存在外加應(yīng)力時(shí)，膜片上各處受到的應(yīng)力是不同的。4個(gè)橋臂電阻在模板上的位置與方向設(shè)置要根據(jù)晶向和應(yīng)力來決定。

膜片的設(shè)計(jì)和制作決定了傳感器的性能及量程。圖2所示的是一種充油封裝結(jié)構(gòu)，在傳感器的波紋膜片及芯片之間填充了硅油，這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器已相當(dāng)成熟。量程為0～100kPa至0～60MPa，工作溫度為-55℃～125℃，精度為0.5%～0.1%；能夠?qū)崿F(xiàn)表壓、絕壓測(cè)量。

硅壓阻式壓力傳感器的另一種封裝形式是將硅應(yīng)變片用于玻璃粉直接燒結(jié)在金屬膜片上，構(gòu)成燒結(jié)型壓力傳感器。由于該傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠?qū)椥栽c被測(cè)介質(zhì)直接接觸，易于小型化，適于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。該傳感器量程從0～100kPa至0～80MPa，工作溫度為-55℃～125℃，精度為0.5%～0.1%。固有頻率從幾千赫到幾百赫，可用于氣流模型試驗(yàn)、爆炸壓力測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

壓阻式壓力傳感器工作原理

用ISO技術(shù)將半導(dǎo)體材料的敏感芯片封裝在不銹鋼波紋膜片的殼體中，在不銹鋼波紋膜片和芯片之間充有硅油。芯片引線穿過殼體引出并采用密封措施，防止硅油向外泄露或外面的壓力介質(zhì)滲入其中，這樣芯片、硅油、殼體和引線組成壓力傳感器。當(dāng)傳感器處在壓力介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上使使其中的硅油受壓，硅油將膜片的壓力傳遞給半導(dǎo)體芯片。芯片受壓后使其電阻值發(fā)生變化，電阻信號(hào)通過引線引出。不銹鋼波紋膜片殼體受到壓力并保護(hù)芯片，因而壓阻式壓力傳感器能在有腐蝕性介質(zhì)中感應(yīng)壓力信號(hào)。

壓阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯通電橋中。平時(shí)敏感芯片沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位）當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。若給電橋加一個(gè)恒定電流或者電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)輸出。2100433B