壓力傳感器工作原理

壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)自控環(huán)境，波及水利水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及很好的線性特性。下面我們重要簡介此類傳感器。1、壓阻式壓力傳感器原理與應(yīng)用：壓阻式壓力傳感器是運(yùn)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。壓阻式傳感器常用于壓力、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、?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(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一種能谷向另一種能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)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一樣而異，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)不一樣于金屬應(yīng)變計(jì)，前者電阻隨壓力的變化重要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則重要取決于幾何尺寸的變化（應(yīng)變），并且前者的敏捷度比后者大50～100倍。壓阻式壓力傳感器構(gòu)造壓阻式壓力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,并將此芯片的周圍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，它不一樣于粘貼式應(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)成周圍固支的圓形，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)，另兩條處在拉應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)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。初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構(gòu)造，因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動(dòng)態(tài)測量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺陷。70年代以來制成了周圍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。它不僅克服了粘片構(gòu)造的固有缺陷，并且能將電阻條、賠償電路和信號(hào)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。這種新型傳感器的長處是: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(dòng)態(tài)測量;體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米），適于微型化；精度高，可達(dá)0.1～0.01％；敏捷高,比金屬應(yīng)變計(jì)高出諸多倍，有些應(yīng)用場所可不加放大器；無活動(dòng)部件，可靠性高，能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。其缺陷是溫度影響較大（有時(shí)需進(jìn)行溫度賠償）、工藝較復(fù)雜和造價(jià)高等。缺陷是：溫度特性差，由于壓阻式壓力傳感器是用半導(dǎo)體材料制作的，受溫度影響較大，因此，在溫度變化大的環(huán)境中使用時(shí)，必須進(jìn)行溫度賠償。工藝復(fù)雜，對(duì)研制條件規(guī)定高而嚴(yán)格，尤其是擴(kuò)散雜質(zhì)、燒結(jié)、封裝工藝等比其他傳感器要復(fù)雜的多，因而成本也相對(duì)要高。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(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個(gè)領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一種關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，局部壓力和整個(gè)壓力場的測量都規(guī)定很高的精度。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(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈動(dòng)壓力和機(jī)翼的抖動(dòng)等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)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)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(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(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個(gè)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。圖3是一種用于測量腦壓的傳感器的構(gòu)造圖。壓阻式傳感器尚有效地應(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(dòng)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。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(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。伴隨微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的深入發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。壓阻式壓力