微型压力传感器：从电容式到谐振式的选择与应用

微型压力传感器（Micro Pressure Sensors）是硅微机械加工制成的传感器的首要类型，是于20世纪50年代末至20世纪60年代初开发出来的。微型压力传感器代表了最成熟的硅微机械加工器件，其在市场上的占有率极大（年产量几百万只），主要的应用领域是汽车行业，如在汽车轮胎气压检测应用中，用于合理控制轮胎充气量，并在行驶中动态监测轮胎是否存在泄露。也应用于其他领域，如医药卫生行业手术中的内压力传感器和输液泵压力传感器；航空航天领域中的润滑油和燃料的传送及水压测定的微压力传感器；制造业过程监测中的过程压力传感器等。

微型压力传感器集成了精微膜片，能够利用流体压力导致的膜片扩张来测量流体（液体或气体）压力。它有绝对测量和相对测量两大类。其中，密封量仪式为绝对测量，量仪式和差动式为相对测量。膜片的一侧与被测系统相连，称为“高压腔”，另一侧与大气、参考气压或者真空相图传感器高压腔与低压腔相通的为“低压腔”。最简单的微型压力传感器是利用安装在膜片背面的压敏电阻来测量压力的特征量—形变，例如电容式微型压力传感器就是通过刚性并联的两块导电极片之间距离的变化来测量压力的，传感器的测量范围从1Pa～1000kPa。

微型压力传感器按工作原理可分为压阻式微型压力传感器、电容式微型压力传感器和谐振式微型压力传感器三种类型。其中较常用的是压阻式微型压力传感器，它的基底材料是单晶硅，感压元件为硅膜片。

（一）压阻式微型压力传感器

压阻式微型压力传感器是利用压阻效应工作的。它的敏感元件膜片的一侧与被测系统连接，另一侧与参考气压（环境压力、真空等）相连，当膜片两侧存在压力差时，膜片变形，其上相应各点的应变使单臂电桥上各电阻阻值变化，电桥失去平衡，输出相应电压（一般为几毫伏），从电压大小可推算出所测压力的大小。这种压力传感器可测压力范围为1～105kPa的压力。通过改变膜的大小和厚度，可测量较低的压力（＜10kPa）。

典型的压阻式微型压力传感器有摩托罗拉（MOTOROLA）MPX5100系列，其精度为±1%，可测温度范围为-40～100℃。(www.xing528.com)

（二）其他微型压力传感器

电容式微型压力传感器是利用两块导电极片之间距离的变化来测量的，它较压阻式微型传感器的灵敏度差一些，但受温度影响的误差较小，适合在温度较高的环境下使用。

谐振式微型压力传感器是利用压力作用在膜片上，膜片的扩张弯曲引起谐振频率的变化，根据谐振频率变化与压力的近似线性关系来完成测量。它为闭环控制，灵敏度有所提高，但制作工艺复杂，成本较高。

下面以测量汽车轮胎气压为例阐述微型压力传感器在测量中的应用。在便携式胎压检测装置中，将微型压力传感器置于轮胎气门嘴上，当胎压作用于传感器上时，由于压差使得传感器膜片变形，电阻发生变化，输出不同的电压信号，与气压值一一对应。从而间接测量出汽车轮胎的气压值。