一文帶你了解壓阻式傳感器的原理、特點及其應用類型

壓阻式傳感器原理
壓阻式傳感器 piezoresistance type transducer 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。

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。

壓阻式傳感器的應用
壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、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。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。

壓阻式傳感器的典型特點是什么
①壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大 50-100 倍。有的時候壓阻式傳感器的輸出不需要放大器就可直接進行測量。

②由于它采用集成電路工藝加工，因而結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。

③壓力分辨率高，它可以檢測出像血壓那么小的微壓。

④頻率響應好，它可以測量幾十千赫的脈動壓力。

⑤由于傳感器的力敏元件及檢測元件制在同一塊硅片上，所以它工作可靠，綜合精度高，且使用壽命長。

⑥由于采用半導體材料硅制作，傳感器對溫度比較敏感，如不采用溫度補償，其溫度誤差較大。

壓阻式傳感器為什么會產(chǎn)生溫度誤差？如何補償？
壓阻式傳感器有兩種類型：一類是利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片，形成半導體應變式傳感器；另一類是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，構(gòu)成敏感元件，稱為擴散型壓阻式傳感器。

壓阻式傳感器受溫度影響較大，會產(chǎn)生零位漂移和靈敏度漂移，因而會產(chǎn)生溫度誤差。

壓阻式傳感器中，擴散電阻的溫度系數(shù)較大，電阻值隨溫度變化而變化，故引起傳感器的零位漂移。

傳感器靈敏度的溫漂是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。當溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，傳感器靈敏度要降低，反之，則靈敏度升高。

零位溫漂一般可用串、并聯(lián)電阻的方法進行補償。

靈敏度溫漂通過在電橋的電源回路中串聯(lián)二極管來補償。

另外，壓阻式傳感器也可將四個擴散電阻接成全橋，為了減小溫度的影響，可采用恒流源供電。

可見，電橋的輸出與電阻變化成正比，即與被測量成正比，也與電源電流成正比，輸出電壓與恒流源電流的大小和精度有關(guān)，但與溫度無關(guān)，所以恒流源有很好的溫度補償作用。

審核編輯 黃昊宇