壓阻式傳感器的發(fā)展?fàn)顩r和作原理

壓阻式傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路制成的傳感器。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?如液位、加速度、重量、應(yīng)變、量、真空度)的測量和控制。

作原理

壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用普遍。

發(fā)展?fàn)顩r

1954年C.S.史密斯詳細研究了硅的壓阻效應(yīng)，從此開始用硅制壓力傳感器。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、度不等缺點。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的體化硅杯式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷，而且能將電阻條、補償電路和信號調(diào)整電路集成在塊硅片上，甚至將微型處理器與傳感器集成在起，制成智能傳感器(見單片微型計算機)。這種新型傳感器的優(yōu)點是:①頻率響應(yīng)(例如有的產(chǎn)品固有頻率達1.5兆赫以上),適于動態(tài)測量;②體積小(例如有的產(chǎn)品外徑可達0.25毫米)，適于微型化;③度，可達0.1~0.01%;④靈敏,比金屬應(yīng)變計出很多倍，有些應(yīng)用場合可不加放大器;⑤無活動件，可靠性，能作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。其缺點是溫度影響較大(有時需行溫度補償)、較復(fù)雜和價等。

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、動力機械、生物學(xué)程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個域。在航天和航空業(yè)中壓力是個關(guān)鍵參數(shù),對靜態(tài)和動態(tài)壓力,局壓力和整個壓力場的測量都要求很的度。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壓力分布，測試發(fā)動機氣口的動態(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，使用門的硅壓力傳感器,其作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了度達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)洞口處和發(fā)動機氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率達300千赫,非線性和滯后均為量程的±0.22%。在生物學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測具。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、子宮和眼內(nèi)壓力的傳感器。圖3是種用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于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量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子和計算機的步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。