基本介紹
- 中文名：壓阻式感測器
- 類型：感測器
- 時間：1954年
- 屬性：裝置配件
壓阻效應,結構,工作原理,發展狀況,套用,
壓阻效應
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（見電阻應變計），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（應變），而且前者的靈敏度比後者大50～100倍。
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（圖1）。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。圖1 中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(N型)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。圖2中是兩種微型壓力感測器的膜片，圖中數字的單位為毫米。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。
工作原理
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。
發展狀況
1954年C.S.史密斯詳細研究了矽的壓阻效應，從此開始用矽製造壓力感測器。早期的矽壓力感測器是半導體應變計式的。後來在 N型矽片上定域擴散P型雜質形成電阻條，並接成電橋,製成晶片。此晶片仍需貼上在彈性元件上才能敏感壓力的變化。採用這種晶片作為敏感元件的感測器稱為擴散型壓力感測器。這兩種感測器都同樣採用粘片結構，因而存在滯後和蠕變大、固有頻率低、不適於動態測量以及難於小型化和集成化、精度不高等缺點。70年代以來製成了周邊固定支撐的電阻和矽膜片的一體化矽杯式擴散型壓力感測器。它不僅克服了粘片結構的固有缺陷，而且能將電阻條、補償電路和信號調整電路集成在一塊矽片上，甚至將微型處理器與感測器集成在一起，製成智慧型感測器（見單片微型計算機）。這種新型感測器的優點是:①頻率回響高(例如有的產品固有頻率達1.5兆赫以上),適於動態測量;②體積小（例如有的產品外徑可達0.25毫米），適於微型化；③精度高，可達0.1～0.01%；④靈敏高,比金屬應變計高出很多倍，有些套用場合可不加放大器；⑤無活動部件，可靠性高，能工作于振動、衝擊、腐蝕、強幹擾等惡劣環境。其缺點是溫度影響較大（有時需進行溫度補償）、工藝較複雜和造價高等。
套用
壓阻式感測器廣泛地套用於航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫學工程、氣象、地質、地震測量等各個領域。在航天和航空工業中壓力是一個關鍵參數,對靜態和動態壓力,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。
