壓力傳感器的工作原理

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用

力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

壓阻式壓力傳感器原理：
壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。壓阻式傳感器常用於壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量（如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度）的測量和控制。

壓阻效應
當力作用於硅晶體時，晶體的晶格產生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。硅的壓阻效應不同於金屬應變計，前者電阻隨壓力的變化主要取決於電阻率的變化，後者電阻的變化則主要取決於幾何尺寸的變化（應變），而且前者的靈敏度比後者大50～100倍。

壓阻式壓力傳感器結構
壓阻式壓力傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,並將此芯片的周邊固定封裝於外殼之內，引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱為固態壓力傳感器，它不同於粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為20～60。在圓形硅膜片(N型)定域擴散4條P雜質電阻條,並接成全橋，其中兩條位於壓應力區，另兩條處於拉應力區，相對於膜片中心對稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條 ，兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋。

壓阻式壓力傳感器發展狀況

1954年C.S.史密斯詳細研究了硅的壓阻效應，從此開始用硅制造壓力傳感
器。早期的硅壓力傳感器是半導體應變計式的。後來在N型硅片上定域擴散P型雜質形成電阻條，並接成電橋,制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。采用這種芯片作為敏感元件的傳感器稱為擴散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結構，因而存在滯後和蠕變大、固有頻率低、不適

於動態測量以及難於小型化和集成化、精度不高等缺點。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結構的固有缺陷，而且能將電阻條、補償電路和信號調整電路集成在一塊硅片上，甚至將微型處理器與傳感器集成在一起，制成智能傳感器。

這種新型傳感器的優點是:

①頻率響應高(例如有的產品固有頻率達1.5兆赫以上),適於動態測量;

②體積小（例如有的產品外徑可達0.25毫米），適於微型化；

③精度高，可達0.1～0.01％；

④靈敏高,比金屬應變計高出很多倍，有些應用場合可不加放大器；汽車維修技術網

⑤無活動部件，可靠性高，能工作於振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環境。其缺點是溫度影響較大（有時需進行溫度補償）、工藝較復雜和造價高等。

缺點是：

①溫度特性差，由於壓阻式壓力傳感器是用半導體材料制作的，受溫度影響較大，因此，在溫度變化大的環境中使用時，必須進行溫度補償。

壓阻式壓力傳感器應用
壓阻式傳感器廣泛地應用於航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫學工程、氣象、地質、地震測量等各個領域。在航天和航空工業中壓力是一個關鍵參數，對靜態和動態壓力，局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用於這方面的較理想的傳感器。例如,用於測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發動機進氣口的動態畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發動機中心壓力的測量中，使用專門設計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。

在波音客機的大氣數據測量系統中采用了精度高達0.05％的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯後均為全量程的±0.22％。在生物醫學方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。

已制成擴散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內、尿道、子宮和眼球內壓力的傳感器。圖3是一種用於測量腦壓的傳感器的結構圖。壓阻式傳感器還有效地應用於爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監測和控制汽車發動機的性能以及諸如測量槍炮膛內壓力、發射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鑽測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應用壓阻式傳感器。隨著微電子技術和計算機的進一步發展，壓阻式傳感器的應用還將迅速發展。

壓阻式壓力傳感器優點：

1. 頻率響應高，f0可達1.5M； 2. 體積小、耗電少；
3. 靈敏度高、精度好，可測量到0.1%的精確度； 4. 無運動部件（敏感元件與轉換元件一體）。

壓阻式壓力傳感器缺點：

1. 溫度特性差； 2. 工藝復雜。

壓力傳感器的工作原理：

半導體壓電阻

半導體壓電阻抗擴散壓力傳感器是在薄片表面形成半導體變形壓力，通過外力（壓力）使薄片變形而產生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉換成電信號。

靜電容量型壓力傳感器

靜電容量型壓力傳感器，是將玻璃的固定極和硅的可動極相對而形成電容，將通過外力（壓力）使可動極變形所產生的靜電容量的變化轉換成電氣信號。 （E8Y的動作原理便是靜電容量方式，其他機種采用半導體方式）

壓敏電阻式進氣壓力傳感器的工作原理: /
應變電阻R1、R2、R3、R4,它們構成惠斯頓電橋並與硅膜片粘接在一起。硅膜片在歧管內的絕對壓力作用下可以變形

應變片壓力傳感器原理與應用
力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，並通過後續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D 轉換和CPU ）顯示或執行機構。

金屬電阻應變片的內部結構
如圖1 所示，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過於復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

電阻應變片的工作原理
金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω。cm2/m ）
S ——導體的截面積（cm2 ）
L ——導體的長度（m ）
我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得
應變金屬絲的應變情

陶瓷壓力傳感器原理及應用
抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由於壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標准的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償0 ～70℃，並可以和絕大多數介質直接接觸。
陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40 ～135 ℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

擴散硅壓力傳感器原理及應用
工作原理被測介質的壓力直接作用於傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，並轉換輸出一個對應於這一壓力的標准測量信號。
原理圖

藍寶石壓力傳感器原理與應用
利用應變電阻式工作原理，采用硅- 藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。
藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯後、疲勞和蠕變現象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC 以內），因此，利用硅- 藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅- 藍寶石半導體敏感元件，無p-n 漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。
用硅- 藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，並且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：钛合金測量膜片和钛合金接收膜片。印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在钛合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起）。在壓力的作用下，钛合金接收膜片產生形變，該形變被硅- 藍寶石敏感元件感知後，其電橋輸出會發生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。
傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，並將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號輸出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力測量的目的。

壓電壓力傳感器原理與應用
壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之後，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的 “居裡點”）。由於隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬於人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。
現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括钛酸鋇壓電陶瓷、PZT 、铌酸鹽系壓電陶瓷、铌鎂酸鉛壓電陶瓷等等。
壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用於靜態測量，因為經過外力作用後的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。

壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建築的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。

壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用於軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。
壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛