关于压阻传感器的综述VIP专享VIP免费

压阻传感器苏安明（上海大学机自学院，上海）摘要：压阻式传感器广泛地应用于航天、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。压阻式传感器也能够实现对压力、温度湿度、加速度和流量等一系列变量的测量。本文着重介绍了压阻传感器的基本原理，并介绍了基于MEMS的压阻传感器在压力、温度、湿度、加速度和流量测量方面的新型设计与应用。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。关键词：压阻式传感器；压力；温度；湿度；加速度；流量PiezoresistiveSensorsSuAn-ming（SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai）Abstract:Piezoresistivesensorsarewidelyusedinaerospace,aviation,marine,petrochemical,powermachinery,biomedicalengineering,meteorology,geology,seismicandotherfields.Piezoresistivesensorscanmeasurethepressure,temperature,humidity,acceleration,flowetc.Thisarticlehighlightsthebasicprincipiumofpiezoresistivesensors,andintroducesthenewdesignofMEMS-basedpiezoresistivepressuresensorsinmeasuringtemperature,humidity,accelerationandflow.AsthefurtherdevelopmentofMicroelectronicsandcomputertechnology,theapplicationofpiezoresistivesensorswillalsodeveloprapidly.Keywords:sensors;pressure;temperature;humidity;acceleration;flow目前，压力传感器种类很多，有振动筒式、石英波登管式、压阻式、应变片式等多种。其中振动筒式压力传感器虽然不确定度可达0.02%F·S，但它仅适用于测量以气体为介质的压力，测压范围很小；石英波登管式压力传感器不确定度能达到0.02%，测压范围也很大，可达60MPa以上，但这种传感器结构复杂、成本高；应变式压力传感器测量上限一般不超过25MPa,不确定度为1%F·S,目前市场上有上限达60MPa的这类压力传感器,但制作工艺较差,可靠性低,特别是1MPa以下的传感器,不确定度很难达到0.04%F·S;压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应制成,它采用集成电路工艺,结构简单,测压上限可达到60MPa,具有工作可靠、耐腐性、抗干扰能力强等特点，国内有些厂家利用美国生产的传感器芯片，加上严格的组装工艺，其不确定度可达0.04%F·S以上，在压力测量领域得到了较广泛的1应用。压阻式传感器采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。压阻传感器压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压；频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。1.压阻传感器原理1.1压阻式传感器的基本原理电阻式传感器是将输入的机械量应变ε转换为电阻值变化的变化原件。电阻变换器的输入量为应变ε=ΔL∕L，即材料的长度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。通常ε=10−6为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量ΔR∕R。电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应：（Δρ/ρ）=πσ，且σ=Eε，其中:σ是应力,π是压阻系数，E是杨氏弹性模量,所以电阻的相对变化为：（ΔR∕R）≈πEε，则，应变片将应变转换为电阻输出量。1.2供电及信号处理电路压阻式传感器可以用恒压源供电，也可用恒流源供电，但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题（图1）。假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R,当有应力作用时,两个电阻阻值增加,增量为ΔR,另两个电阻阻值减小,减小量为ΔR.由于温度影响,使每个电阻阻值都有ΔRt的变化量,因此,电桥的输出：图1恒压源与恒流源供电的比较（1）恒压：V=E(ΔR∕R+ΔRt)可以看出输出电压V与温度有关且为非线性，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。（2）恒流：V=IΔR可以看出输出电压V与温度无关，这就消除了温度对传感器输出信号的影响。所以可采用如图（2）所示的恒流源供电电路，它采用双电源供电以避免共模干扰。图2恒流源供电电路图3放大电路21.3处理电路压阻式传感器的满量程输出信号为70-350mV不等，其输出阻抗很高，这就要...