操作原理
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应,在半导体材料衬底上制作扩散电阻的器件。它的衬底可以直接用作测量传感器,扩散电阻以桥的形式连接在衬底中。当基板受到外力变形时,电阻值会发生变化,电桥会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的衬底(或膜片)材料主要是硅片和锗片,硅片比较敏感。
硅压阻材料传感器越来越受到人们的重视,尤其是用于测量压力和速度的固态压阻传感器得到了广泛的应用。结构如图所示。
其核心部分是沿某一晶向的一片(如< 1
0 >)切割N型圆形硅膜片(见图2-35 (b))。四个阻值相等的P型电阻通过集成电路技术扩散在膜片上。用电线组成一个平衡桥。膜片的外围用圆形硅环(硅杯)固定,膜片的下部是与被测系统相连的高压腔,上部一般能与大气相通。在被测压力p的作用下,膜片产生应力和应变。膜片上各点的应力分布由公式(2-20)和公式(2-21)给出。那时,径向应力为零。四个阻力边缘< 1
一个
0 >晶向,分别排列在x=0.635r的内侧和外侧。在0.635r以内,内电阻承受正值,即拉应力(见图2-25 (b)),外电阻承受负值,即压应力。由于< 1
一个
0 >晶向的横向< 0。
零
1 >,因此,将内外电阻的相对变化代入公式(2-29)。
——内外电阻器径向应力的平均值。在设计时,要正确选择电阻的径向位置,使之,从而使之。四个电阻连接到差分桥,初始状态是平衡的。P受压后,差分电桥的输出对应于P..为了确保更好的测量线性,应该控制膜片边缘的径向应变。隔膜厚度为h≥
——;隔板边缘的容许径向应变。
压阻式压力传感器由于集成了弹性元件和转换元件,体积小,固有频率高,可以在很宽的频率范围内测量脉动压力。自然频率可通过以下公式计算
——硅片的密度(千克/平方米)
压阻式压力传感器广泛用于测量流体压力、压差和液位。特别是它的体积很小,小传感器可以做到0.8mm,可以测量生物医学中的血管内压力、颅内压等参数。