壓阻式壓力傳感器壓阻式傳感器的應變與溫度交叉靈敏度分析

壓阻式傳感器是在圓形硅膜片上擴散出四個電阻，這四個電阻接成惠斯登電橋。當有應力作用時，兩個電阻的阻值增加，增另外由于溫度影響，使每個電阻都有變化量。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，因此在實際應用中仍具有重要意義，而參量變化較大時，忽略交叉靈敏度對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)，因此應變和溫度同時作用于傳感器時，傳感器的輸出不是應變和溫度單獨作用時產(chǎn)生的輸出量的簡單迭加，還存在著熱力學和力學量的相互作用，這個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。

實際上，交叉靈敏度反映了在不同應變時，溫度靈敏度不是一個常數(shù)，而是隨著應變的變化而變化，交叉靈敏度的大小描述了溫度靈敏度偏離常數(shù)的程度。實驗中通過在不同應變下測量溫度靈敏度，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算實例

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進制原碼，再把16進制的原碼送入AT89c52單片機，由單片機送出原碼值。實驗中以標準壓力作為輸入，測取不同溫度條件下16進制的原碼值，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)，利用方程(7)進行計算。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計算結(jié)果與傳感器自身的技術(shù)指標非常接近，而交叉靈敏度SεT的技術(shù)指標只能通過上述方法或類似方法求出。

壓阻式傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術(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，通過測量電路就可得到正?比于力變化的電信號輸出。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缫何弧⒓铀俣?、重量、應變、流量、真空度）的測量和控制。?

當力作用于硅晶體時，晶體的晶格產(chǎn)生變形，使載流子從一個能谷向另一個能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動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，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應不同于金屬應變計，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 。?

壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物醫(yī)學方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到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是一種用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應用還將迅速發(fā)展 。

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，它不同于粘貼式應變計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壓力的。?

硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，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散4條P雜質(zhì)電阻條，并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對于膜片中心對稱。?

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散制作電阻條，兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構(gòu)成全橋。?

壓阻式傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。?

當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應的不平衡輸出。?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，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應用最為普遍。?

硅壓阻式壓力傳感器都由3個基本部分組成（圖2）：①基體，直接承受被測應力；②波紋膜片，將被測應力傳遞到芯片；③芯片，檢測被測應力。芯片是在硅彈性膜片上，用半導體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4個感壓電阻，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械或化學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。當存在外加應力時，膜片上各處受到的應力是不同的。4個橋臂電阻在模板上的位置與方向設(shè)置要根據(jù)晶向和應力來決定。

膜片的設(shè)計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、絕壓測量。

硅壓阻式壓力傳感器的另一種封裝形式是將硅應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，能夠?qū)椥栽c被測介質(zhì)直接接觸，易于小型化，適于動態(tài)壓力測量。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、爆炸壓力測試和發(fā)動機動態(tài)測量。

壓阻式壓力傳感器工作原理

用ISO技術(shù)將半導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。當傳感器處在壓力介質(zhì)中時，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體芯片。芯片受壓后使其電阻值發(fā)生變化，電阻信號通過引線引出。不銹鋼波紋膜片殼體受到壓力并保護芯片，因而壓阻式壓力傳感器能在有腐蝕性介質(zhì)中感應壓力信號。

壓阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯通電橋中。平時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。若給電橋加一個恒定電流或者電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應的電信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換為壓力信號輸出。2100433B