感压膜片

一、基本结构与工作方式

感压膜片是一类弹性敏感元件，其基本结构包含进压孔与受压膜片：被测压力经进压孔引入，作用于膜片一侧，使膜片产生弯曲变形。膜片表面产生应变，粘贴或扩散在其上的应变电阻随之改变阻值，通过电桥将电阻变化转换为电压输出。

二、径切应变分布与四片全桥布局

在压力作用下，圆形膜片的应变分布具有确定的径向特征：

• 膜片中心区域产生径向应变 ${\epsilon }_r$，受压时为负值；
• 膜片边缘区域产生径向应变 ${\epsilon }_r$，受拉时为正值；
• 两者随半径变化呈现相反趋势。

据此，将四个应变电阻按位置粘贴于膜片上：$R_1$、$R_3$ 置于膜片中心区域（径向应变区），$R_2$、$R_4$ 置于边缘区域（径向应变区），并连接成惠斯通电桥。电桥输入电压为 $U$，输出电压为 $U_0$。这种布局使中心受压电阻与边缘受拉电阻分别处于相邻桥臂，从而在压力作用下产生差动输出，提高灵敏度并抑制共模干扰。

三、粘贴金属膜片与扩散型硅杯膜片

粘贴式金属膜片：将金属应变片用粘贴方式固定在金属膜片上。工艺简单，但存在粘贴层，易引入零漂和蠕变，长期稳定性受限。

扩散型压阻式压力传感器：以 N 型单晶硅作为弹性元件，在硅膜片表面通过扩散掺杂形成半导体电阻，使硅杯膜片与应变电阻构成一体化结构。由于省去了粘贴层，减小了粘贴层引起的零漂和蠕变，具有更好的长期稳定性。其结构包含低压腔（通大气）、高压腔、硅杯、引线及硅膜片；四个扩散电阻 $R_1$–$R_4$ 按特定位置分布于硅膜片上，并标注关键尺寸（如 $2r_0$、$2R$）及晶向（如 (110)、(001)）。

四、隔离膜片、硅油传压与密封结构

扩散硅压力芯体是制造压力传感器及压力变送器的核心部件。其典型装配结构及各部件职责如下：

• 膜片（隔离膜片）：接触被测液体或气体，将被测介质与内部芯片隔离；
• 硅油：填充于隔离膜片与芯片之间，传导压力；
• 芯片：感受经硅油传递的压力，输出电信号；
• 底座：压力传感器的载体；
• O 型圈：密封；
• 压环：把膜片焊接到底座上；
• 钢珠：封油；
• 补偿板：信号放大；
• 陶瓷垫：填充。

由此形成“隔离膜片接触介质—硅油传压—芯片感压”的传压链，各部件分别承担隔离、传压、感压、密封、支撑与信号调理职责。

五、感压膜、传压杆、微压元件与双桥输出结构

在电阻式液体重量（液位）传感器中，采用如下结构：

• 感压膜：安装于传压杆下端，用于感受液体的压力；
• 传压杆：上端安装微压传感器，下端安装感压膜，将液体压力传递至微压传感器；
• 微压传感器：核心部件为电阻应变敏感元件，感受经传压杆传来的压力。

当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力增大。将传感器接入电桥的一个桥臂，则输出电压为

式中 $S$ 为传感器的传输系数，$\rho$ 为液体密度，$g$ 为重力加速度，$h$ 为位于感压膜上的液体高度。

$h\rho g$ 表征感压膜上方液体产生的压强（单位面积上的重量）。对于等截面积的柱形容器，有

式中 $Q$ 为容器内感压膜上方液体的重量，$A$ 为柱形容器的截面积。由此得到

表明电桥输出电压与柱形容器内感压膜上方液体的重量成正比。在已知液体密度的条件下，还可实现容器内液位高度测量。

该传感器的电路采用双电桥差分结构：上电桥由 $R_1$、$R_2$、$R_3$、$R_4$ 及 $R_t$、$R_0$ 组成，电源为 $U_1$，负载为 $R_L$；下电桥由 $R_1^{\mathrm{\prime }}$、$R_2^{\mathrm{\prime }}$、$R_3^{\mathrm{\prime }}$、$R_4^{\mathrm{\prime }}$ 及 $R_t^{\mathrm{\prime }}$、$R_0^{\mathrm{\prime }}$ 组成，电源为 $U_2$，负载为 $R_L^{\mathrm{\prime }}$；两个电桥的输出端共同构成最终输出电压 $U_o$。

六、不同感压膜的职责区分

• 普通感压膜：直接感受液体压力，经传压杆传递至微压传感器；
• 硅敏感膜（硅杯膜片）：作为弹性元件兼应变电阻载体，直接感受压力并输出电阻变化；
• 隔离膜片：接触被测介质，经硅油将压力传递至芯片，起隔离与传压作用。

三者职责不同：普通感压膜侧重感受液重并机械传递；硅敏感膜侧重感压与机电转换一体化；隔离膜片侧重介质隔离与压力传递。