中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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在科技飛速發(fā)展的今天，傳感器作為電子設(shè)備的“感官”，扮演著至關(guān)重要的角色。它們能夠感知溫度、壓力、光線等各類信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，供設(shè)備解讀。而在眾多傳感器中，壓阻傳感器以其獨(dú)特的原理和廣泛的應(yīng)用，成為科技領(lǐng)域中不可或缺的一部分。
壓阻效應(yīng)：傳感器工作的核心原理
壓阻傳感器的工作原理基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。當(dāng)固體受到作用力后，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起電阻的變化，這種效應(yīng)就被稱為壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體材料中，這種效應(yīng)表現(xiàn)得尤為強(qiáng)烈。以單晶硅材料為例，當(dāng)它受到力的作用后，電阻率會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電路就可以得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。
具體來說，當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)，晶體的晶格會(huì)產(chǎn)生變形，使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)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(yīng)與晶體的取向有關(guān)。與金屬應(yīng)變計(jì)不同，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要取決于電阻率的變化，而不是幾何尺寸的變化，而且前者的靈敏度比后者大50—100倍。
結(jié)構(gòu)組成：實(shí)現(xiàn)壓阻效應(yīng)的關(guān)鍵
壓阻傳感器通常由一個(gè)感應(yīng)體和一個(gè)支撐體構(gòu)成。感應(yīng)體可以是一塊壓敏電阻、應(yīng)變片或電容器等，而支撐體則用來承載壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，壓阻式壓力傳感器是一種常見的類型。它采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路。單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)，硅膜片的一面是與被測(cè)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(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為20—60。在圓形硅膜片定域擴(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條，并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱。
工作過程：從壓力到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化
當(dāng)傳感器處在壓力介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上，硅油受壓后將膜片的壓力傳感給半導(dǎo)體芯體。受壓后，硅膜片的電阻值發(fā)生變化，通過引線引出電阻信號(hào)。這種變化經(jīng)過放大器放大，并采用標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)定后，即可進(jìn)行壓力檢測(cè)。
以壓阻式壓力傳感器接入惠斯通電橋?yàn)槔?，平時(shí)敏感芯片沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位）。當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。若給電橋加一個(gè)恒定電流或者電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化就通過電橋轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)輸出。
性能特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)并存
壓阻傳感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，它的靈敏度高，能夠準(zhǔn)確感知微小的壓力變化。例如，在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中，單個(gè)傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達(dá)300千赫，非線性和滯后均為全量程的±0.22%。其次，壓阻傳感器體積小、易于集成，可以方便地嵌入各種小型設(shè)備中。此外，它還具有響應(yīng)速度快、線性度好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
然而，壓阻傳感器也存在一些挑戰(zhàn)。例如，交叉靈敏度問題既與傳感器應(yīng)變片自身的壓阻系數(shù)、彈性模量、溫度系數(shù)有關(guān)，又與電橋的供電電壓有關(guān)。因此，應(yīng)變和溫度同時(shí)作用于傳感器時(shí)，傳感器的輸出不是應(yīng)變和溫度單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的輸出量的簡單迭加，還存在著熱力學(xué)和力學(xué)量的相互作用，這個(gè)作用反映為交叉靈敏度，其大小反映了這種相互作用的程度。
應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛而重要
壓阻傳感器在多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，壓阻式傳感器被用于監(jiān)測(cè)流體壓力，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性。例如，在化工生產(chǎn)中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力變化，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，避免安全事故的發(fā)生。
在航空航天領(lǐng)域，壓阻式傳感器被用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)推力，為飛行器的性能評(píng)估和安全飛行提供重要數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，在航空航天器內(nèi)部，壓阻式傳感器也用于監(jiān)測(cè)艙內(nèi)氣壓，確保乘客和機(jī)組人員的舒適度及安全。
在機(jī)器人技術(shù)中，壓阻式傳感器可用于測(cè)量機(jī)器人的夾持力和碰撞力，為機(jī)器人提供精準(zhǔn)的力反饋，從而提高生產(chǎn)過程的準(zhǔn)確性和安全性。
在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，壓阻式傳感器被廣泛應(yīng)用于血壓計(jì)、呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者生命體征的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與記錄。例如，在血壓計(jì)中，壓阻式傳感器能夠?qū)崟r(shí)感知血壓變化，并將數(shù)據(jù)傳輸給顯示器，供醫(yī)護(hù)人員參考。
在汽車制造領(lǐng)域，壓阻式傳感器用于監(jiān)測(cè)剎車片的壓力變化，確保剎車系統(tǒng)的正常工作和行駛安全。在懸掛系統(tǒng)中，壓阻式傳感器則用于監(jiān)測(cè)車身的振動(dòng)情況，為懸掛系統(tǒng)的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，提高乘坐舒適度。
壓阻傳感器以其獨(dú)特的壓阻效應(yīng)原理、精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效的工作過程、優(yōu)越的性能特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為科技領(lǐng)域中不可或缺的一部分。隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，壓阻傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域還將進(jìn)一步拓展，其性能和穩(wěn)定性也將得到進(jìn)一步提升。未來，壓阻傳感器將為我們帶來更多驚喜和便利，在科技發(fā)展的道路上發(fā)揮更加重要的作用。
