壓阻式壓力感測器

壓阻式壓力感測器是利用單晶矽的壓阻效應而構成。採用單晶矽片為彈性元件，在單晶矽膜片上利用積體電路的工藝，在單晶矽的特定方向擴散一組等值電阻，並將電阻接成橋路，單晶矽片置於感測器腔內。當壓力發生變化時，單晶矽產生應變，使直接擴散在上面的應變電阻產生與被測壓力成正比的變化，再由橋式電路獲相應的電壓輸出信號。

基本介紹

• 中文名：壓阻式壓力感測器
• 外文名：Piezoresistive pressure sensor
• 又稱：擴散矽壓力感測器
• 類型：壓力式感測器的一種
• 核心部分：N型的圓形矽膜片
• 套用：航天、航空、航海、石油化工

壓阻式壓力感測器套用

壓阻式感測器是用於這方面的較理想的感測器。例如,用於測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發動機進氣口的動態畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發動機中心壓力的測量中，使用專門設計的矽壓力感測器,其工作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣數據測量系統中採用了精度高達0.05%的配套矽壓力感測器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式感測器能密集安裝在風洞進口處和發動機進氣管道模型中。單個感測器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯後均為全量程的±0.22%。在生物醫學方面,壓阻式感測器也是理想的檢測工具。已製成擴散矽膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力感測器和能測量心血管、顱內、尿道、子宮和眼球內壓力的感測器。圖3是一種用於測量腦壓的感測器的結構圖。壓阻式感測器還有效地套用於爆炸壓力和衝擊波的測量、真空測量、監測和控制汽車發動機的性能以及諸如測量槍炮膛內壓力、發射衝擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鑽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套用壓阻式感測器。隨著微電子技術和計算機的進一步發展，壓阻式感測器的套用還將迅速發展。

壓阻式感測器的應變與溫度交叉靈敏度分析

壓阻式感測器是在圓形矽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，增另外由於溫度影響，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值方法理淪，使問題大大簡化，因此在實際套用中仍具有重要意義，而參量變化較大時，忽略交叉靈敏度對於求解精度影響較大。

交叉靈敏度分析

交叉靈敏度既與感測器應變片自身的壓阻係數、彈性模量、溫度係數有關，又與電橋的供電電壓有關，因此應變和溫度同時作用於感測器時，感測器的輸出不是應變和溫度單獨作用時產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，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。

計算實例

以IC Sensors公司的S17-30A型感測器為例，結合A/D轉換器AD7731把模擬量轉換成數字量—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，實驗數據如表1所示。

由表1中的數據，利用方程(7)進行計算。首先在同一溫度不同壓力條件下，然後再在同一壓力不同溫度條件下藉助MATLAB語言分別解矩陣得：

Sε，ST計算結果與感測器自身的技術指標非常接近，而交叉靈敏度SεT的技術指標只能通過上述方法或類似方法求出。

壓阻式感測器的工作原理

壓阻式感測器是指利用單晶矽材料的壓阻效應和積體電路技術製成的感測器。單晶矽材料在受到力的作用後，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正 比於力變化的電信號輸出。壓阻式感測器用於壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量（如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度）的測量和控制。 

當力作用於矽晶體時，晶體的晶格產生變形，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生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使矽的電阻率發生變化。 

這種變化隨晶體的取向不同而異，因此矽的壓阻效應與晶體的取向有關。矽的壓阻效應不同於金屬應變計，前者電阻隨壓力的變化主要取決於電阻率的變化，後者電阻的變化則主要取決於幾何尺寸的變化，而且前者的靈敏度比後者大50～100倍。 

壓阻式感測器的結構

這種感測器採用集成工藝將電阻條集成在單晶矽膜片上，製成矽壓阻晶片，並將此晶片的周邊固定封裝於外殼之內，引出電極引線。壓阻式壓力感測器又稱為固態壓力感測器，它不同於貼上式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過矽膜片感受被測壓力的。 

矽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。矽膜片一般設計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為20～60。在圓形矽膜片定域擴散4條P雜質電阻條，並接成全橋，其中兩條位於壓應力區，另兩條處於拉應力區，相對於膜片中心對稱。 

此外，也有採用方形矽膜片和矽柱形敏感元件的。矽柱形敏感元件也是在矽柱面某一晶面的一定方向上擴散製作電阻條，兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋。 

壓阻式感測器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而製成的器件。其基片可直接作為測量感測元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。 

當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。 用作壓阻式感測器的基片（或稱膜片）材料主要為矽片和鍺片，矽片為敏感 材料而製成的矽壓阻感測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壓阻式感測器套用最為普遍。