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压阻式压力传感器的应用技术
摘 要：传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位 压强的测量与控制。还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。本文介绍了压力传感器的原理以及应用领域。
关键词：现代测量与自动控制；传感器技术；压力传感器
The Application of Piezoresistive Pressure Sensor Technology
Abstract: Sensor technology is one of the important technologies of modern measurement and automation system, in all kinds of sensors in the pressure sensor with small volume, light weight, high sensitivity, stable and reliable, low cost, easy to integration advantages, can be widely used in pressure, height, acceleration, the liquid flow rate, flow velocity, the pressure of liquid level measurement and control.Also widely used in water conservancy, geology, meteorology, chemical, medical and health care, etc.This paper introduces the principle of pressure sensor and application field.
Key words: Modern measuring and automatic control；sensor technology；pressure sensor

1 压阻式压力传感器原理与结构
1.1 电阻变化原理
固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。
压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。可以分为:粘贴型压阻式传感器（传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片）和扩散型压阻式传感器（传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻）。
压阻式压力传感器与普通金属应变计的基本原理都是利用测量电路和电阻的变化来测量压力的变化，但两者的电阻变化的原因不同。可以通过公式来分析。
任何材料电阻的变化率都由下式决定
（1-1）

式中
—电阻变化量；
—原始电阻；
—电阻率变化量；
—原始电阻率；
—横截面面积变化量；
—原始横截面面积；
—长度变化量；
—原始长度；
对金属而言，上式中的 一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而Δl/l与Δs/s两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要是由Δl/l与Δs/s两项引起的，这种现象称为电应变效应，基于这一效应的传感器是电阻应变式传感器。
对半导体而言，上式中的Δl/l与Δs/s两项很小，即尺寸的变化率很小，可忽略不计，而 一项较大，也就是电阻率变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由一项引起的，这种现象称为压阻效应，基于这一效应的传感器是压阻式压力传感器。
通过上述分析，金属应变片和压阻式压力传感器的主要区别是：基于压阻效应的压力传感器电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，金属应变片电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。
粘贴型压阻式传感器：传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片。
扩散式压阻式传感器是指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。 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。 这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。
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的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。 当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
1.2 压阻式压力传感器的结构
压力作用于压力传感器上，会使电阻的电阻值发生变化，可以通过惠斯顿电桥来测量，将压力信号转换成电信号输出。
1.2.1 测量电路
传感器在电桥中的接法不同，测量精度和准确度也不同。下面就是不同的接法。
图1 四分之一桥
图3 全桥
图2 二分之一桥

图3 全桥

若四个电阻的初始值相等， 即 R1 =R2 =R3=R4，此时电桥是平衡的，则输出电压Vo为零。若将四个电阻环绕硅膜片中心同向布置，当膜片受外界的压力时，一对受拉，一对受压时，则会使敏感电阻有一微小的变化，电桥就会失去平衡，输出电压值。
四分之一电桥有非线性误差，输出电压灵敏度低，不适用于测量精度要求高或者电阻变化量大的情况，可以该采用差动电桥来消除非线性误差并且提高输出电压灵敏度，差动电桥可以分为半桥差动和全桥测量差动。半桥差动电桥灵敏度是四分之一桥的两倍，全桥差动是四分之一桥的四倍。
所以通常选择全桥差动电路来测量。通常将四个电阻接成惠斯顿电桥，并且将阻值增加的两个电阻对接，阻值减小的两个电阻对接，使电桥的灵敏度最大，电桥的电源可以采用恒流源和恒压源。
（1）恒流源供电：
图4 恒流源供电电路图

恒流源供电时，每个支路的电流是，输出电压
（2-1）
式中
—电路输出电压；
—初始电阻值；
—电阻增加量；
—受温度影响的电阻变化量；
从式（2-1）得出电桥的输出与电阻变化量成正比，与恒流源大小成正比，与温度无关。所以在恒流源一定时，输出量与电阻变化有线性关系。
（2） 恒压源供电：
图5 恒压源测量电路

电桥输出为
(2-2)
；
;
;
；
代入式（2-2）
(2-3)
式中各项含义与恒流源供电时一样。
从（2-3）式中得出输出电压与温度有关，而且与温度的关系是非线性的，当采用恒压源时不能消除温度影响。
1.2.2 测量电路的温度补偿
为减小在扩散工艺中的温度影响，可以将四个电桥电阻尽量集中于一个小的范围。因为在扩散电阻形成的工艺过程中，光刻、扩散等工艺会引起电阻条宽度或杂质浓度发生偏差。这就导致各电阻值和温度系数互不相等，造成电桥的不平衡，电桥的输出特性就会受到温度的影响。
1.3 测量不同参数时的电阻的排列方法不同
测量压力：压阻式压力传感器常采用一种周边固支圆形杯膜片结构的扩散型压阻芯片。在<001>晶向的N型圆形硅膜片上沿<011>与二晶向利用扩散的方法扩散出四个P型电阻。
图6 压阻式压力传感器结构

测量加速度：压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁，如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，使四个电阻阻值发生变化[1]。
图7 压阻式加速度传感器结构

2 在压力参数测试领域的应用
由于具有频响高、体积小、精度高、测量电路与传感器一体化等特点，压阻式传感器相当广泛地应用在航天、航空、航海、石油、化工、动力机械、生物医学、气象、地质地震测量等各个领域，主要可以测量压力和加速度[1]。
2.1 测量压力的压力传感器
2.1.1 航天领域
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。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中[2]。
2.1.2 无人机上的应用
在无人机这种综合性的高科技产物中，它同样发挥着巨大的作用。近年来，在使用硅压阻式传感器测量无人机飞行参数的过程中得到了较满意的效果。硅压阻式压力传感器具有灵敏度高、后续电路简单且集成化程度高、综台精度较高、无传动部件、性能稳定、可靠性高、体积小、质量轻，以及使用方便等优点，很适合在无人机上的应用。通过十几年来对压阻式压力传感器在无人机上的应用研究，研制出了简易大气数据测量装置，用在多种型号的无人机上，对科研和生产起了很大的促进作用[2]。
2.1.3 生物医学
小尺寸，高输出和稳定可靠的性能，使得压阻式传感器成为生物医学上理想的测试手段。可直接插入生物体内作长期观测的传感器。这种传感器可以测量心血管、颅内、尿道、眼球内的压力。类似的还有脑压传感器、脉搏传感器、食道、尿道压力传感器。例子：
（1）脉搏传感器可以测量脉搏。压力传感器固定在一定的装置中放在动脉血管上，可以通过传感器感知压力变化，压力变化一次就代表一次脉搏跳动。
（2）基于压力传感器的人体运动识别方法。压力传感器采集运动者的脚部压力值衡量运动负荷，和运动强度。通过对运动者运动行为的检测与识别，可实时掌握各种运动的强度与时间。考虑到大部分运动都需要穿鞋，因此将该装置的数据采集部分设计成鞋垫置于运动者鞋里。根据采集的压力数据，可以得到运动的距离、时间、总重量和总练习次数等等运动负荷，也可以得到每次练习的重量、速度、密度和动作的难度等等运动负荷强度。通过提取压力数据的特征值，可以得到不同运动行为的运动负荷和运动负荷强度，从而为测量运动者的运动量提供了新方法[3]。
2.1.4 爆炸内弹道和冲击波测试
将压力传感器安装在枪炮的身管上或装在药筒底部测量内弹道压力。将压力传感器安装在枪炮口周围测量冲击波压力。
2.1.5 油气井勘探与开发
射孔是油气井勘探与开发过程中一项关键技术，由于井下工作环境恶劣且各不相同，对射孔时P ～ t 测试仪的动态参数进行科学的测量显得十分必要[4]。
2.1.6 内燃机压力测试
内燃机气缸爆发压力和压缩压力是影响其工作质量的 2个重要技术参数，掌握其压强变化规律，是设计和评价内燃机工作性能的主要依据目前，国内检测这种压力的工具大多是机械表式检测装置，由于检测手段陈旧，不仅测量精度低，表针摆幅大，不易看准数值 ，而且使用寿命短，远满足不了在高温、高压脉动气体冲击 ( 500次 /min以上 )和有机械振动的环境下检测的使用要求。
采用耐高温压阻式压力传感器，有效地避免因高温、高压脉动气体的冲击和机械振动带来的影响，配置相关放大电路和器件，操作者可方便地观测测试结果，同时保证了测试结果的科学性、真实性和合理性[5]。
2.1.7 焊接技术
在电阻点焊中，电极力是一个重要的焊接工艺参数，电极力的作用是保证电极与焊件以及焊件与焊件之间必要的电接触，且限制焊接区金属的喷溅。对于大量应用在航天、汽车等领域的铝合金材料，电阻点焊更是得到了广泛的应用。在铝合金点焊中电极压力对焊点质量影响较大，并存在一定的规律性。当电极压力逐渐增大时，电极与焊件及焊件与焊件之间的接触面积增加，接触电阻减小。产生的电阻热相应减小，甚至产生的热量不足以将焊点熔化，这就造成了未熔合、脱焊等缺陷。因此，把电极压力作为焊点质量的监控信息。
虽然焊接规范已设定，但是由于电极下落过程是人为手动控制， 存在着很大的人为因素的影响，并且气缸压力的不稳定以及被焊两工件之间的接触程度都会很大的影响点焊质量，因此通过点焊过程在线监测来代替目前所采用的焊后手工检验是实现点焊过程自动化的重要一步放置位置方便，可以更加直接地监测电极压力; 在更大的范围内测量压力信号; 同时采集到的信号分辨率更高，有利于点焊缺陷的判别。采集了加压前点焊电极对被焊试样的压紧力，可以指导操作人员点焊加压的时间，将压紧力与点焊通电时间优化配合，减少焊接缺陷的产生[6]。
2.1.8 汽车领域上的应用
MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子中，如TPMS压力传感器、进气歧管压力传感器、大气压力传感器、发动机机油压力传感器、安全气囊用压力传感器等。MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器[7]。
一、机油压力传感器
机油压力传感器是用于测量汽车发动机机油压力的重要传感器，其可靠性直接关系到汽车和人的安全。机油关系到发动机的润滑、降低磨损、降温和密封等方面，一旦机油压力过低就会因缺油发生干摩擦，造成剧烈的磨损和发热，可能损坏发动机，影响机车的正常运转一般国产汽车的生产厂家基本是在发动机上安装一个电位器式压力传感器，由一个波纹膜片和一个具有机械触点的滑线电位器组成。由于此类压力传感器具有机械触点，而汽车的应用环境时有恶劣，高低温差大、较大的颠簸和振动等，使得该传感器的机械和电气寿命都受到严重影响，这就使产品可靠性和寿命偏低，也是汽车压力控制仪表装置有待解决的问题必须研制无触点的此类传感器，以取代传统的电位器式油压传感器。近年来，MEMS技术的发展为设计汽车传感器提供了新的重要途径。一些研究人员针对上述传统机油压力传感器存在的问题。提出一种新型基于MEMS技术的压力传感器，对压力敏感头的结构进行了设计，开发精度高、性能可靠的传感器。压力敏感头 是机油压力传感 器的核心部件，是由MEMS压力敏感芯片、波纹膜片、陶瓷底座、TO底座、充油腔体及硅油等组成。在压力敏感头上装上信号调理电路，并装配在一个金属外壳中，即可构成机油压力传感器。MEMS机油压力传 感器不 仅能够替代 传统 的产 品，直接与汽车的机油压力指示表和低压报警灯连接，指示发动机的机油压力和提供低压报警信号，还具有无机械运动部件、耐高温、耐腐蚀、结构简单、精度高、可靠性高、易于批量牛产等优点，并且，符合汽车电子化发展的需求，是汽车油压传感器的一种理想的升级换代产品。
二、轮胎压力传感器
汽车在高速行驶的过程中，由于剧烈地振动、环境温差较大以及道路 随时检修网难，导致轮胎故障较难预测，也是突发性交通事故发生的重要原因，防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。在我国，高速公路70％的交通事故是爆胎引起的。如果轮胎不够结实或者已经有“伤”，就可能导致爆胎。除平时常用的轮胎养护方法外，目前，业界公认的防爆胎的有效方法就是安装汽车胎压监测系统。TPMS一种通过放置于汽车轮胎内的压力传感器实现监测轮胎压力情况的系统，主要用于在汽车行驶时，实时的对轮胎气压进行自动监测，当轮胎漏气或低气压时会及时报警，以保障行车安全。
三、进气歧管压力传感器
进气歧管力传感器(MAP)是一种问接测量发动机进气量的传感器。为了适应发动机在高速大负荷和低速小负荷时对供油量不同的需要， 减少燃油泵不必要的机械磨损。MAP根据发动机的负荷状态测进气歧管内绝对压力的变化，并转换成电压信号，与转速信号起输送到发动机电控单元，作为确定喷油器基本喷油量的依据。提高其动力性能，降低油耗，减少废气排放。
2.1.9 在喷码控制系统中的应用
在采用按需喷墨喷印方式的喷码控制系统中，为了提高墨水从电磁阀中喷射出的速度从而提高喷码机的喷印质量，系统通过微型气泵给墨水加压：鉴于容器的耐压程度和系统的稳定性，要求气泵必须工作在一定的气压范围内，同时要求系统具有检测气泵故障的功能；系统采用压力传感器实时检测气泵压力，控制气泵在一定的气压范围内工作，气压范围可以通过人机交互界面设定，气泵压力超出设定压力范围、气泵出现故障工作超时，蜂鸣器报警；应用结果表明：采用压阻式压力传感器不仅实现了压力的高精度测量，压阻式压力传感器检测喷码控制系统中供压装置供压大小的方案，该方案已被用于大字符喷码机工程项目中。应用结果表明：采用压阻式压力传感器不仅实现了压力的高精度测量，还具有安装方便、可靠高、寿命长、电路简单、易于维护等优点，对于推动喷码机往精确、稳定方向发展具有一定的参考价值[8]。
2.2 加速度测量
在航天航空领域，汽车工业，火车上都有应用，用来测量航天器，汽车，火车运行时的加速度。对行驶安全提供参考依据，而且可以提供测量数据给系统控制中心，使系统根据加速度大小来控制发动机或者电动机的输出功率。
在微型电子产品中也有应用。例如，在智能仪器中安装压阻式压力传感器，可以感知仪器的运动状态，在以某加速度运动时，控制芯片控制仪器保存数据，或者关机，防止仪器由于坠落到地面，电路瞬间掉电，造成仪器的损坏或者数据丢失。
3 发展趋势分析
常规扩散硅压阻式压力传感器依靠PN结实现敏感电阻间的电学隔离基于单晶硅良好的弹性形变性能和显著的压阻效应进行压力测试，以其特有的体积小、灵敏度高、工艺成熟等优点，成为应用最广泛的压力传感器，在工农业和航空、航天、生物医学领域有着巨大的应用前景。目前，随着材料和工艺水平的提高，加上智能技术的应用，可将传感器的性能进行智能化补偿，简化复杂的硬件设计，使它的环境适应性更强，具有自诊断功能，输出接口也可做成数字和模拟、电流、报警等多种形式，以满足不同用户的需要。此外，由压阻式变送器及仪表可替代工业上的各种指针式仪表、使用直观、
可靠。
不过，当工作温度超过125℃时，电阻与衬底间的PN结漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效，不能准确反应测量压力。因此高温压力传感器具有广阔的应用前景。在军事方面，可用于导弹、飞机、雷达、装甲等武器装备动力系统和液压控制分系统中，监测和控制系统运行状态，进而保障武器装备运行的安全性、机动性和准确性。在民用方面，可用，锅炉、管道、高温反应釜、井下和发动机腔体内的压力测量。也正基于此，适于高温环境应用的压阻式压力传感器研制一直备受关注[16]。

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