壓阻式壓力傳感器工作原理

壓阻式壓力傳感器工作原理

用ISO技術(shù)將半導(dǎo)體材料的敏感芯片封裝在不銹鋼波紋膜片的殼體中，在不銹鋼波紋膜片和芯片之間充有硅油。芯片引線穿過殼體引出并采用密封措施，防止硅油向外泄露或外面的壓力介質(zhì)滲入其中，這樣芯片、硅油、殼體和引線組成壓力傳感器。當傳感器處在壓力介質(zhì)中時，介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上使使其中的硅油受壓，硅油將膜片的壓力傳遞給半導(dǎo)體芯片。芯片受壓后使其電阻值發(fā)生變化，電阻信號通過引線引出。不銹鋼波紋膜片殼體受到壓力并保護芯片，因而壓阻式壓力傳感器能在有腐蝕性介質(zhì)中感應(yīng)壓力信號。

壓阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯通電橋中。平時敏感芯片沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位）當傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或者電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換為壓力信號輸出。2100433B

壓阻式傳感器是指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。?

當力作用于硅晶體時，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，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 。?

硅壓阻式壓力傳感器都由3個基本部分組成（圖2）：①基體，直接承受被測應(yīng)力；②波紋膜片，將被測應(yīng)力傳遞到芯片；③芯片，檢測被測應(yīng)力。芯片是在硅彈性膜片上，用半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4個感壓電阻，將他們連成惠斯通電橋構(gòu)成了基本的壓力敏感元件。

膜片即是力敏電阻的襯底，又是外加應(yīng)力的承受體，所以是壓力傳感元件的核心部分。在硅膜片上的背面要用機械或化學(xué)腐蝕的方法加工成中間很薄的凹狀，稱為硅杯，在它的正面制作壓阻全橋。如果硅杯是圓形的凹坑，就稱為圓形膜片。膜片還有方形、矩形等多種形式。當存在外加應(yīng)力時，膜片上各處受到的應(yīng)力是不同的。4個橋臂電阻在模板上的位置與方向設(shè)置要根據(jù)晶向和應(yīng)力來決定。

膜片的設(shè)計和制作決定了傳感器的性能及量程。圖2所示的是一種充油封裝結(jié)構(gòu)，在傳感器的波紋膜片及芯片之間填充了硅油，這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器已相當成熟。量程為0～100kPa至0～60MPa，工作溫度為-55℃～125℃，精度為0.5%～0.1%；能夠?qū)崿F(xiàn)表壓、絕壓測量。

硅壓阻式壓力傳感器的另一種封裝形式是將硅應(yīng)變片用于玻璃粉直接燒結(jié)在金屬膜片上，構(gòu)成燒結(jié)型壓力傳感器。由于該傳感器的結(jié)構(gòu)特點，能夠?qū)椥栽c被測介質(zhì)直接接觸，易于小型化，適于動態(tài)壓力測量。該傳感器量程從0～100kPa至0～80MPa，工作溫度為-55℃～125℃，精度為0.5%～0.1%。固有頻率從幾千赫到幾百赫，可用于氣流模型試驗、爆炸壓力測試和發(fā)動機動態(tài)測量。