壓阻式壓力傳感器原理及其應(yīng)用

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锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?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（見電阻應(yīng)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(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)，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C.S.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。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（見單片微型計算機(jī)）。這種新型傳感器的優(yōu)點是:①頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上),適于動態(tài)測量;②體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米），適于微型化；③精度高，可達(dá)0.1～0.01％；④靈敏高,比金屬應(yīng)變計高出很多倍，有些應(yīng)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、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。其缺點是溫度影響較大、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)、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,壓阻式壓力傳感器優(yōu)點：頻率響應(yīng)高，f0可達(dá)1.5M；體積小、耗電少；靈敏度高、精度好，可測量到0.1%的精確度；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：溫度特性差；工藝復(fù)雜。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(1)式,計算可得：Rm=R4。(2)求并聯(lián)電阻Rn值理在圖2(c)中,Vout′=U(7)因R3′=,且Vout′=0,根據(jù)(6)式可得：Rn=。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?。因傳感器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)計由于在零位補(bǔ)償中,實際傳感器的零位輸出Vout一般不為0V,不符合R2R4=R1R3的假設(shè),故需在圖3的處理電路的A4正相輸入端接入一個補(bǔ)零位電阻,才可以將零位和溫漂