压阻式压力传感器

压阻式压力传感器

1. 基本结构与工作原理

压阻式压力传感器是一种扩散硅型压力传感器。其核心是一块圆形N型单晶硅膜片，作为弹性元件。通过半导体扩散工艺，在硅膜片上扩散出四个初始阻值相等的P型电阻，构成惠斯通电桥的四个桥臂。电阻既是转换元件，又与弹性元件一体化。膜片两侧有两个压力腔：高压腔与被测系统相连，低压腔一般与大气相通。当膜片两侧存在压力差时，膜片变形，各点产生应力，四个电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出电压。该电压与膜片两侧压力差成正比。

2. 压阻效应

半导体电阻应变片的工作原理主要基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。对于不同类型的半导体，施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样；目前使用最多的是单晶硅半导体。

半导体敏感元件产生压阻效应时，其电阻率的相对变化与应力间的关系为：

式中 $\pi$ 为半导体材料的压阻系数，$\sigma$ 为应力，$E$ 为弹性模量，$\epsilon$ 为应变。

与金属电阻应变片相比，半导体电阻应变片的灵敏度系数中，$(1+2\mu )$ 的值要比 $\mid \frac{\mathrm{\Delta }\rho }{\rho \epsilon }\mid$ 小得多（近百分之一），即前者可以忽略不计。因此，半导体电阻应变片的灵敏度系数近似为：

3. 膜片应力分布

对于圆形硅膜片，设 $r_0$ 为硅膜片的有效半径，当 $r=0.635r_0$ 时，径向应力 ${\sigma }_{\mathrm{r}}=0$；当 $r=0.812r_0$ 时，切向应力 ${\sigma }_{\mathrm{t}}=0$。

4. 特点

扩散硅型压阻式压力传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、能测十几帕的微压等优点。其核心结构采用N型单晶硅作为弹性元件，并通过半导体扩散工艺在硅膜片上形成P型电阻，使电阻与弹性元件一体化。这种扩散掺杂的一体化结构不同于金属应变片的粘贴方式，在给定条件下可减小粘贴式应变片常见的零漂和蠕变，具有更好的长期稳定性。压阻式压力传感器具有极低的价格、较高的精度以及良好的线性特性，是目前应用最为广泛的压力传感器。

5. 应用

电阻式差压传感器常用于气动测量，气动测量技术是通过空气流量和压力变化来测量工件尺寸的一种技术。测量方法是将长度信号先变换为气流信号，再通过气电转换器将气流信号转换为电信号，对应的传感器称为气动量仪。气动量仪与不同的气动测头搭配，可实现多种参数的测量，如孔的内径、外径、槽宽、双孔距、深度、厚度、圆度、锥度、同轴度、直线度、平面度、平行度、垂直度、通气度和密封性等。此外，还可用于室内或室外环境中无人机、智能手机、可穿戴设备以及其他移动设备精准地识别高度变化（如三维GPS导航）的气压传感器。