應變式壓力傳感器工作原理(lǐ)

壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中最爲常用(yòng)的(de)一種傳感器，并廣泛應用(yòng)于各種工業自控環境，涉及水(shuǐ)利水(shuǐ)電、鐵路交通(tōng)、生産自控、航空航天、軍工、石化(huà)、油井、電力、船舶、機床、管道等衆多(duō)行業。

1954年C.S.史密斯詳細研究了(le)矽的(de)壓阻效應，從此開始用(yòng)矽制造壓力傳感器。早期的(de)矽壓力傳感器是半導體應變計式的(de)。後來(lái)在 N型矽片上定域擴散P型雜(zá)質形成電阻條，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(de)變化(huà)。采用(yòng)這(zhè)種芯片作爲敏感元件的(de)傳感器稱爲擴散型壓力傳感器。這(zhè)兩種傳感器都同樣采用(yòng)粘片結構，因而存在滞後和(hé)蠕變大(dà)、固有頻(pín)率低、不适于動态測量以及難于小型化(huà)和(hé)集成化(huà)、精度不高(gāo)等缺點。70年代以來(lái)制成了(le)周邊固定支撐的(de)電阻和(hé)矽膜片的(de)一體化(huà)矽杯式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了(le)粘片結構的(de)固有缺陷，而且能将電阻條、補償電路和(hé)信号調整電路集成在一塊矽片上，甚至将微型處理(lǐ)器與傳感器集成在一起，制成智能傳感器。這(zhè)種新型傳感器的(de)優點是:頻(pín)率響應高(gāo),适于動态測量;體積小，适于微型化(huà)；精度高(gāo)，可(kě)達0.1～0.01％；靈敏高(gāo),比金屬應變計高(gāo)出很多(duō)倍，有些應用(yòng)場(chǎng)合可(kě)不加放大(dà)器；無活動部件，可(kě)靠性高(gāo)，能工作于振動、沖擊、腐蝕、強幹擾等惡劣環境。其缺點是溫度影(yǐng)響較大(dà)、工藝較複雜(zá)和(hé)造價高(gāo)等。

力學傳感器的(de)種類繁多(duō)，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用(yòng)最爲廣泛的(de)是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的(de)價格和(hé)較高(gāo)的(de)精度以及較好的(de)線性特性。這(zhè)種傳感器采用(yòng)集成工藝将電阻條集成在單晶矽膜片上,制成矽壓阻芯片,并将此芯片的(de)周邊固定封裝于外殼之内，引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱爲固态壓力傳感器，它不同于粘貼式應變計需通(tōng)過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通(tōng)過矽膜片感受被測壓力的(de)。矽膜片的(de)一面是與被測壓力連通(tōng)的(de)高(gāo)壓腔，另一面是與大(dà)氣連通(tōng)的(de)低壓腔。矽膜片一般設計成周邊固支的(de)圓形，直徑與厚度比約爲20～60。在圓形矽膜片N型定域擴散4條P雜(zá)質電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱。矽柱形敏感元件也(yě)是在矽柱面某一晶面的(de)一定方向上擴散制作電阻條 ，兩條受拉應力的(de)電阻條與另兩條受壓應力的(de)電阻條構成全橋。

壓力傳感器廣泛地應用(yòng)于航天、航空、航海、石油化(huà)工、動力機械、生物(wù)醫學工程、氣象、地質、地震測量等各個(gè)領域。在航天和(hé)航空工業中壓力是一個(gè)關鍵參數,對(duì)靜态和(hé)動态壓力,局部壓力和(hé)整個(gè)壓力場(chǎng)的(de)測量都要求很高(gāo)的(de)精度。壓阻式傳感器是用(yòng)于這(zhè)方面的(de)較理(lǐ)想的(de)傳感器。例如,用(yòng)于測量直升飛(fēi)機機翼的(de)氣流壓力分(fēn)布，測試發動機進氣口的(de)動态畸變、葉栅的(de)脈動壓力和(hé)機翼的(de)抖動等。在飛(fēi)機噴氣發動機中心壓力的(de)測量中，使用(yòng)專門設計的(de)矽壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。在波音(yīn)客機的(de)大(dà)氣數據測量系統中采用(yòng)了(le)精度高(gāo)達0.05％的(de)配套矽壓力傳感器。在尺寸縮小的(de)風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和(hé)發動機進氣管道模型中。單個(gè)傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻(pín)率高(gāo)達300千赫,非線性和(hé)滞後均爲全量程的(de)±0.22％。在生物(wù)醫學方面,壓阻式傳感器也(yě)是理(lǐ)想的(de)檢測工具。已制成擴散矽膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的(de)注射針型壓阻式壓力傳感器和(hé)能測量心血管、顱内、尿道、子宮和(hé)眼球内壓力的(de)傳感器。是一種用(yòng)于測量腦(nǎo)壓的(de)傳感器的(de)結構圖。壓阻式傳感器還(hái)有效地應用(yòng)于爆炸壓力和(hé)沖擊波的(de)測量、真空測量、監測和(hé)控制汽車發動機的(de)性能以及諸如測量槍炮膛内壓力、發射沖擊波等兵(bīng)器方面的(de)測量。此外，在油井壓力測量、随鑽測向和(hé)測位地下(xià)密封電纜故障點的(de)檢測以及流量和(hé)液位測量等方面都廣泛應用(yòng)壓阻式壓力傳感器。随著(zhe)微電子技術和(hé)計算(suàn)機的(de)進一步發展，壓阻式傳感器的(de)應用(yòng)還(hái)将迅速發展.本文來(lái)源：/。