物联网传感器技术：力与压力传感器

1.力传感器

力传感器是力变换成电信号的测量元件。力传感器可分为利用一次变换元件的弹性体变形的类型和利用与带测力元件平衡的类型。力传感器在机器人领域中又可以称为力敏传感器。承担监测机器人的臂或转矩功能的，属于触角传感器。

（1）电阻应变式荷重传感器

电阻应变式荷重传感器在各种推力及载荷测试如舰船涡轮推力检测，燃料、货物登记测量中，用途十分广泛。这种传感器通常坚固、耐用、可靠。虽然有一定的过载能力，但在荷重系统安装过程中，仍应防止传感器的超载。在安装过程中，若有必要，可先用一个与传感器等高度的垫块代替传感器，调整后再把传感器换上去。

在安装时，底座安装面应平整、清洁，无任何油膜、胶膜等存在。安装底座本身要有足够的强度和刚性。单只传感器安装底座的安装平面要用水平仪调整水平；多个传感器的安装底座的安装平面要用水准仪尽量调整到一个水平面上。

（2）光纤式荷重传感器

光纤式荷重传感器的结构不复杂，只要将检测位移的光纤探头安装于荷重传感器弹性结构体中，测量其结构部分发生最大位移部位的位移量，便可实现对荷重的准确测量。光纤式荷重传感器对于光的调制主要有调制光强度、偏光、相位、频率等方式，可以应用光的相位检测技术测量。

光纤式荷重传感器可在高温下使用。在实验研究中，将光纤束包上聚氯乙烯外壳，可耐温190℃，加上螺旋钢套可达316℃。现在国外市场上可买到暴露在517℃高温下功能不受损坏的光纤束，这种高温特性使得传感器在进行一些测试时不用考虑高温的损坏。

2.压力传感器

（1）硅压阻式压力传感器

硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的，主要由3个部分构成：基体（直接承受被测应力）、波纹膜片（将被测应力传递到芯片）和芯片（检测被测压力）。在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将它们连接成惠斯顿电桥，构成了基本的压力敏感元件。硅压阻式压力传感器的核心部分是一块单晶硅膜片。膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。

（2）电容式压力传感器

电容式压力传感器具有灵敏度高、温度稳定性好、准确度高等优点，可以弥补压阻式压力传感器的某些不足。硅电容式压力传感器的结构原理如图6-12所示。电容器的一个极板位于厚的支撑玻璃上，另一个处于十几微米厚的硅膜上。硅膜片是用各向异性腐蚀技术从硅片的正反两面腐蚀而成的。

在一般集成电路元件尺寸的条件下，其电容数值很小，在应力作用下的变化量更小。因此该类传感器需将敏感元件与处理电路集成在一起，构成电容式集成压力传感器。

采用集成电路技术可以制作电容式集成压力传感器，把信号检出电路与压力敏感电容器做在同一芯片上，使与电容器相连接的杂散电容小而稳定。电容式集成压力传感器有电压输出型和频率输出型两种。图6-13所示为一个利用交流驱动信号把力敏电容的变化转换成直流输出电压的电容式集成压力传感器的电路原理图。图中C_x是压力敏感电容器，C_o是参考电容。在无压力的初始状态下，使C_x与C_o相等，从而可以使电路平衡，减少输出失调电压。

图6-12 硅电容式压力传感器结构原理

图6-13 电容式集成压力传感器的电路原理图(www.xing528.com)

3.差压传感器

差压传感器是指传感器的参考压力具有一定的压力值，测量两种不同压力之差的压力传感器。它是由力敏元件、中心膜片、主体膜、密封膜片组成，空间充满的硅油起到传递外界压力、保护半导体敏感元件和散热的作用。由于硅油不可压缩性，可无损失地把力传递给力敏元件。由高压端和低压端引入的压力通过密封膜片经硅油传递到敏感膜片的正、反两面，在此压力差同时作用下，有一个电压或电流信号输出到信号处理部分。

差压传感器与压力传感器的差别在于差压传感器硅杯感压膜片正、反两面上同时施加了很高的静压值，其值可以是感压膜片上承受的压力差的几十倍到几千倍。这样，在应用中要求两侧静压必须同时加到感压膜片上。为避免单向过压造成损坏，差压传感器必须要有过压保护装置。

4.高温压力传感器

（1）多晶硅压力传感器

多晶硅是半导体集成电路中广泛应用的薄膜材料。以硅为衬底的多晶硅压力传感器的研究在国内外得到了普遍重视，但在应用上开展的工作较少。目前国际上只有日本的长野计器公司生产多晶硅压力传感器，采用的是以金属膜片为衬底，多晶硅生长在金属膜片上。该公司生产的多晶硅压力传感器多数品种工作在常温范围，量程在0.1MPa以上，准确度为0.1%。

（2）SOI高温压力传感器

绝缘体上硅（SOI）即绝缘衬底上半导体硅，这种材料结构形式具有自隔离体漏电小、寄生电容小、抗辐射、无体硅闩锁效应等优点。SOI材料的特殊结构形式使之也成为制作单晶硅压力传感器的理想材料。除保持多晶硅压力传感器的优点之外，由于单晶硅材料具有更大的压阻系数（在相同的掺杂浓度下，多晶硅的压阻系数仅为单晶硅的60%～70%），可以通过优化传感器芯片设计，进一步提高传感器的灵敏度。

（3）SiC高温压力传感器

SiC是一种宽带隙半导体材料，具有良好的高温性能和化学稳定性。随着对SiC单晶生长技术及外延掺杂等工艺的成熟，SiC高温压力传感器将逐渐增多。

（4）硅-蓝宝石压力传感器

这种压力传感器的最高工作温度可达到400℃。蓝宝石材料具有很高的化学稳定性，所以硅-蓝宝石传感器还具有耐腐蚀、抗辐射的特点。由于蓝宝石材料的硬度高又抗腐蚀，加工难度大，用机械方法制作应变薄膜的成品率低。另外，在理论上，外延单晶硅膜与蓝宝石之间的晶格失配大，传感器的长期稳定性难有保证。

（5）谐振式石英晶体压力传感器

谐振式石英晶体压力传感器有两种基本形式：厚度切变型和振梁型。厚度切变型是一种静压传感器，测量压力时敏感元件被被测压力介质包围着；振梁型是一种力敏元件，压力必须通过一个膜盒、波登管或压力筒转换成力，通过测力来测量压力。这类高准确度传感器主要应用于电子气压计：可用该传感器制成各种电子气压计，取代现在普遍采用的水银气压计。便携式标准压力仪不仅用于在线压力校准，仪表校验、高准确度的气象仪器中检测大气压力变化，还应用于海拔测量、飞机、导弹及火箭等飞行器飞行高度的测量。

（6）陶瓷厚膜高温压力传感器

陶瓷材料具有压阻效应，可用于制作压力传感器。应用最广泛是钛酸锆铅（PZT）材料。用丝网印刷技术在陶瓷基板（一般是Al₂O₃）的特定位置上印制一定的PZT浆料图形，通过高温烧结形成应变电阻。圆形陶瓷基板与底座间也是用烧结法形成固定支架结构。这是制作陶瓷应变压力传感器的基本工艺。陶瓷抗腐蚀，耐高温。陶瓷厚膜压力传感器的工作温度一般可达到150℃。

由于受丝网印刷工艺准确度和浆料均匀性的限制，这类传感器的应变电阻一般需要进行激光修正才能得到较好的一致性，另外，陶瓷厚膜压力传感器的灵敏度相对较低，功耗较大。