硅压阻压力传感器

基于单晶硅压阻效应和集成电路技术的传感器。单晶硅材料受力后，电阻率发生变化，通过测量电路可以得到与力的变化成正比的电信号输出。压阻式传感器用于测量和控制压力、张力、压差等可以转化为力的变化的物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度等)(见加速度计)。

压阻效应当一个力作用在硅晶体上时，晶格发生形变，导致载流子从一个能谷散射到另一个能谷，导致载流子的迁移率发生变化，扰乱了垂直和水平方向上载流子的平均量，从而改变了硅的电阻率。这种变化随晶向而变化，所以硅的压阻效应与晶向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计的压阻效应(见电阻应变计)。电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，电阻的变化主要取决于几何尺寸(应变)的变化，前者的灵敏度比后者大50 ~ 100倍。

压阻式压力传感器的结构这种传感器通过集成技术将电阻条集成在单晶硅膜片上制成硅压阻芯片，该芯片的外围固定封装在外壳内，电极引线引出。压阻式压力传感器又称固态压力传感器，不同于粘贴式应变片需要通过弹性敏感元件间接感受外力，而是通过硅膜片直接感受被测压力。硅膜片的一侧为与被测压力连通的高压腔，另一侧为与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成圆周固定的圆形，径厚比约为20 ~ 60。四个P型杂质电阻条扩散在圆形硅膜片(N型)中，连接形成全桥，其中两个在压应力区，另外两个在拉应力区，相对于膜片中心对称。硅圆柱传感器也是由电阻条沿硅圆柱晶面的某一方向扩散制成，两个拉应力电阻条和两个压应力电阻条构成全桥。

发展现状1954 C.S .史密斯详细研究了硅的压阻效应，开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变仪。后来P型杂质在N型硅片上局部扩散形成电阻条，连接成桥制成芯片。这个芯片还是要贴在弹性元件上，才能对压力的变化敏感。使用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散压力传感器。这两种传感器都采用粘贴片的结构，存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适合动态测量、不易小型化和集成化、精度低等缺点。自20世纪70年代以来，一种带有固定支撑电阻和硅膜片的集成硅杯式扩散压力传感器问世了。它不仅克服了芯片结构的固有缺陷，还将电阻条、补偿电路和信号调节电路集成在一个硅片上，甚至将微处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器(见单片机)。这种新型传感器的优点是:①高频响应(如某些产品的固有频率在1.5 MHz以上)，适合动态测量；②尺寸小(如部分产品外径可达0.25mm)，适合小型化；③精度高，可达0.1 ~ 0.01%；(4)灵敏度高，比金属应变片高很多倍，某些应用中不需要放大器；⑤无运动部件，可靠性高，能在振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境下工作。其缺点是受温度影响大(有时需要温度补偿)，工艺复杂，成本高。

压阻式传感器广泛应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等领域。压力是航空航天工业中的一个关键参数，对静、动压、局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻传感器是实现这一目的的理想传感器。比如用于测量直升机机翼气流压力分布，测试发动机进气道动态畸变、叶栅脉动压力、机翼抖动等。在喷气发动机中心压力的测量中，采用了一种特殊设计的硅压力传感器，其工作温度在500℃以上。波音客机大气数据测量系统采用了精度为0.05%的硅压力传感器。在缩小比例的风洞模型试验中，可以在风洞入口处和发动机进气管模型中密集安装压阻式传感器。单个传感器直径仅为2.36 mm，固有频率高达300 kHz，非线性和迟滞均为满量程的0.22%。在生物医学中，压阻传感器也是一种理想的检测工具。已经制造了具有薄至65438±00微米且外径仅为0.5毫米的扩散硅膜的注射针压阻压力传感器和能够测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼内压力的传感器。图3是用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及测量武器如火炮膛压和冲击波发射。此外，压阻式传感器还广泛应用于油井压力测量、随钻测向和井下密封电缆故障点检测，以及流量和液位测量。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将会迅速发展。