压阻式传感器及其应用分析

压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，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、流量、真空度）的测量和控制。它较之传统的膜盒电位计式、力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器，技术上先进得多，目前是压力测量领域最新一代的传感器。

1.压阻效应

半导体单晶硅材料在某一方向上受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，原子结构内部的电子能级状态发生变化，导致其电阻率剧烈的变化，由此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。

压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，用此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器；另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。

（1）半导体应变式传感器 半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。图2-45所示为半导体应变片典型结构。半导体敏感条1粘贴在由胶膜制成的基底2上，并有引线5将其与连接片4相接，便于焊接外部引线3。

图2-45 半导体应变片典型结构

1—半导体敏感条 2—基底 3、5—引线 4—连接片

半导体应变片与金属应变片相比，最突出的优点是它的体积小而灵敏度高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大即可直接进行测量记录。此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽，从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。

但是半导体应变片也存在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大，它的应变—电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等。

利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本形式。图2-46为压阻式压力传感器结构示意图。

（2）扩散型压阻传感器

1）单晶硅：扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。

硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。硅膜片是核心部分，其外形状像杯，故名硅杯，在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成4个相等的电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯顿电桥再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。

2）多晶硅：多晶硅技术已经在Gems Sensors公司实现，它将先进的传感技术与高度自动化的生产工艺相结合，为用户提供最稳定的压力传感器。这种由硅、不锈钢、玻璃和其他金属在分子级别上相结合的压力变送器不受使用时间的影响。图2-47所示为GemsSensors公司的Psibar多晶硅压力变送器。

图2-46 压阻式压力传感器结构

2.压阻式传感器结构、原理及测量电路(www.xing528.com)

压阻式传感器主要由外壳、硅膜片（硅杯）、引线、底座等组成，其内部结构如图2-48a所示，压力转换元件是硅膜片，硅膜片是用单晶硅制成的，也称为硅杯；一般设计为中间薄、四周厚的圆形杯状，中间圆膜片直径与厚度比值为20~60。在薄膜片表面的圆周上，采用集成电路加工技术和扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点，制作成具有四只阻值相等的扩散型半导体力敏电阻，如图2-48b所示；并利用低阻扩散层（P型扩散层）将四只电阻连接成电桥电路，如图2-48c所示。

硅杯设计时，取4个扩散型电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，当不受压力作用时，电桥处于平衡状态，桥路无电压输出；当外界有压力时，硅膜片就会产生机械形变，力敏电阻的阻值在膜片应力的作用下发生变化，电桥上电阻值的平衡被打破。由于4个电阻中两个设置在受拉应变区，另两个设置在受压应变区，使得两应变区电阻变化量相等、方向相反，即ΔR₁＝ΔR₄＝ΔR，ΔR₂＝ΔR₃＝-ΔR，这时桥路失去平衡，输出电压信号为

图2-47 GemsSensors公司的Psibar多晶硅压力变送器

a）多晶硅 b）压力变送器剖面

图2-48 压阻式传感器

a）内部结构 b）半导体力敏电阻 c）电桥电路

上式表明，桥路的输出电压与应变电阻的变化量成正比。当电桥的输入端输入一定的电压或电流时，在电桥的输出端就可得到变化的信号电压或信号电流。这个信号再经放大和转换，变成4~20mA直流电流信号作为显示和调节仪表的输入，其大小就反映了膜片所受的压力值。

3.压阻式集成压力传感器

压阻式集成压力传感器电路如图2-49所示，将敏感元件与传感器内部的温度补偿电阻，和信号放大电路以及恒流供电电路等都集成在同一芯片，制成硅压阻芯片，实现硅杯型压力传感器的单片集成。

图2-49 压阻式集成压力传感器电路

a）框图 b）电路

该集成传感器具有以下优点：频率响应高，如有的产品固有频率达1.5MHz，适于动态测量；体积小，如有的产品外径可达0.25mm，适于微型化；精度高，可达0.1％~0.01％；灵敏度高，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大，需进行温度补偿、工艺较复杂和造价高等。压阻式集成压力传感器广泛应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。例如在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中，采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜厚10μm、外径为0.5mm的注射针型压阻式压力传感器，和能测量心血管、眼球内压力的传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。