壓阻式壓力傳感器原理及其應(yīng)用

1、壓阻式壓力傳感器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?量（如液位、加速度、重量、應(yīng)變、流量、真空度）的測量和控制）。壓阻效應(yīng) 當(dāng)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(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

2、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50100倍。壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)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(jì)成周邊 固支的圓形，直徑與厚度比約為 2060。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)，

3、相對于膜 片中心對稱。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。發(fā)展?fàn)顩r1954年.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、不適于動態(tài)測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

4、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：頻率響應(yīng)高（例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)兆赫以上），適 于動態(tài)測量：體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達(dá)毫米），適于微型化；精度高， 可達(dá)%;靈敏高，比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍，有些應(yīng)用場合可不加放大器； 無活動部件，可靠性高，能工作于振動、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、工藝較復(fù)雜和造價高等。應(yīng)用：壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、

5、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù)，對靜態(tài)和動態(tài)壓力，局部壓力和整個壓力場的測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，用于測量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機(jī)翼的抖動等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計(jì)的硅壓力傳感器，其工作溫度達(dá)500c以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)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)動機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個傳感器直徑僅毫米，固有頻率高達(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的± % o 在生物

6、醫(yī)學(xué)方面，壓阻式傳感器也是理想的檢測 工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到 10微米，外徑僅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(yīng)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(jī)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。止匕外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故 障點(diǎn)的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(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。壓阻式壓力傳感器優(yōu)點(diǎn)：1 .頻率響應(yīng)高，f0可達(dá)1.5M;2 .

7、體積小、耗電少；3 .靈敏度高、精度好，可測量到 %勺精確度；4 .無運(yùn)動部件（敏感元件與轉(zhuǎn)換元件一體）。壓阻式壓力傳感器缺點(diǎn)：1 .溫度特性差；2 .工藝復(fù)雜。一種壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)上傳者：張殊凡?瀏覽次數(shù):856摘要：介紹了一種溫度補(bǔ)償方法的基本原理，其解決了微型壓阻式壓力傳感器溫補(bǔ)問題；詳細(xì)闡述了一種實(shí)用的整體補(bǔ)償電路，并從理論上導(dǎo)出了分析計(jì)算公式,最后給出傳感器整體的零位和靈敏度溫度系數(shù)在補(bǔ)償前后的對比情況。關(guān)鍵詞：壓阻式傳感器；溫度測量；整體溫度補(bǔ)償一、前言隨著集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)為原 理制成的半導(dǎo)體力敏傳感器，而其中的硅壓阻式壓力傳感器

8、因具有體積小、性能 高、廉價等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。但利用擴(kuò)散技術(shù)形成的電橋阻值易隨溫度改 變，并且壓阻元件的壓阻系數(shù)具有較大的負(fù)溫度系數(shù)，這些易引起電阻值與電阻溫度系數(shù)的離散，導(dǎo)致壓力傳感器的熱靈敏度漂移和零點(diǎn)漂移1 0為此，作者采用設(shè)計(jì)了一種適用于壓阻式壓力傳感器的整體溫度補(bǔ)償電路，它具有補(bǔ)償精度高、穩(wěn)定性能好、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到較為滿意的應(yīng)用結(jié)果。二、誤差來源由于半導(dǎo)體材料對溫度十分敏感，壓阻式壓力傳感器的四個檢測電阻多接 為惠斯登電橋型，其有恒流和恒壓兩種工作方式。假設(shè)半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻Rt的溫度系數(shù)為 明靈敏度K的溫度系數(shù)為 B,加在傳感器上的電壓為 Vin,則電阻 值、靈敏度隨溫度

9、改變的表達(dá)式分別為：RT=R0(1+z T) (1);KT=K0(1+ B T)(2)則傳感器輸出為2 : Vout =( R/R0)Vin = K0(1+ B T)eVin (3)式中,R0基準(zhǔn)溫度時傳感器的電阻值(初始值)；4RH壓力引起的電阻變 化;K0基準(zhǔn)溫度時靈敏度；e 應(yīng)變系數(shù)。由此式知，壓力隨溫度的改變量和 B的隨溫度的變化相同，具有較大負(fù)溫度 系數(shù)，溫度系數(shù)為C C。圖1給出了不同摻雜濃度下 P型硅片的靈敏度系數(shù)隨 溫度變化的曲線3。圖中，從a到e各條曲線對應(yīng)的摻雜濃度遞增。由圖可知，P 型應(yīng)變電阻，無論是輕摻雜還是重?fù)诫s，其靈敏度系數(shù)均隨溫度的提高而逐漸 減小。由于各應(yīng)變片阻

10、值不可能匹配，且應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)在 /C左右，會造成零點(diǎn)漂移電壓。三、溫度補(bǔ)償原理與電路設(shè)計(jì)1、零位溫漂補(bǔ)償壓阻式壓力傳感器的四個檢測電阻多接為惠斯登電橋形式，其原理如圖2(a)所示。由惠斯登電橋原理可知，零位輸出電壓為：Vout=(4)則常溫下應(yīng)使R2R4-R1R3=03,得零位輸出為0。當(dāng)外界溫度為T時，電橋 零位輸出變?yōu)椋篤out '二若 R2TR4T-R1TR3TX®U溫漂為正；若 R2TR4T-R1TR3T<0,U溫漂為負(fù)。故調(diào)節(jié)零位漂移的關(guān)鍵是改變 R2TR4Tg R1TR3T的大小。采用的方法是在 R1上串聯(lián) 電阻Rm或者在R3上并聯(lián)電阻Rn,分別如圖

11、2(b)、2(c)所示，則調(diào)節(jié)Rm Rn阻 值大小，可達(dá)到調(diào)節(jié)零位輸出的目的。 Rmffl Rn的阻值可由下面的公式求得。(1)求串聯(lián)電阻Rm值由電橋原理，則圖2(b)中的輸出電壓為：Vout' =U(6)因R1' = R1+Rm并令Vout' =0,代入 式，計(jì)算可得：Rm=R4(2)求并聯(lián)電阻Rn值理在圖2(c)中,Vout' = U 因R3',且Vout' =0,根據(jù)（6）式可得：Rn= 0 2、靈敏度溫度補(bǔ)償用整體電路溫補(bǔ)的方法來對靈敏度溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。圖中,A1和A2構(gòu)成差動放大器，將傳感器的輸出電信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒与妷?，然后由A4作為差動輸入單端輸出放大器，將電壓差信號變?yōu)閷Φ剌敵龅碾娦盘?。因傳感?的輸出電壓靈敏度漂移具有負(fù)溫度系數(shù)，則用晶體管基極-發(fā)射極間電壓 Vbe的負(fù)溫度特性來抵消它。同時，在A4上的負(fù)反饋電阻上并聯(lián)正溫度系數(shù)的熱敏電 阻RT,以達(dá)到用增益的正溫度特性更好的彌補(bǔ)電橋部分靈敏度負(fù)溫度特性的目 的。3、整體性能設(shè)計(jì)由于在零位補(bǔ)償中，實(shí)際傳