压阻式传感器的发展状况和作原理

压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、量、真空度)的测量和控制。

作原理

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用普遍。

发展状况

1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在 N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、度不等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在起，制成智能传感器(见单片微型计算机)。这种新型传感器的优点是:①频率响应(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小(例如有的产品外径可达0.25毫米)，适于微型化;③度，可达0.1~0.01%;④灵敏,比金属应变计出很多倍，有些应用场合可不加放大器;⑤无活动件，可靠性，能作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大(有时需行温度补偿)、较复杂和价等。

应用

压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化、动力机械、生物学程、气象、地质、地震测量等各个域。在航天和航空业中压力是个关键参数,对静态和动态压力,局压力和整个压力场的测量都要求很的度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气压力分布，测试发动机气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用门的硅压力传感器,其作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了度达0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞口处和发动机气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率达300千赫,非线性和滞后均为量程的±0.22%。在生物学方面,压阻式传感器也是理想的检测具。已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼内压力的传感器。图3是种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传感器还有效地应用于炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子和计算机的步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。