压阻式传感器实验 一文了解压阻式传感器的原理，特点及其应用类型

一文了解压阻式传感器的原理、特点及其应用类型

压阻式传感器 piezoresistance type transducer 是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如，用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达 500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达 0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

单个传感器直径仅 2.36 毫米，固有频率高达 300 千赫，非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到 10 微米，外径仅 0.5 毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。图 3 是一种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诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。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还将迅速发展。

①压阻式传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大 50-100 倍。有的时候压阻式传感器的输出不需要放大器就可直接进行测量。

②由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。

③压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压。

④频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。

⑤由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。

⑥由于采用半导体材料硅制作，传感器对温度比较敏感，如不采用温度补偿，其温度误差较大。

压阻式传感器为什么会产生温度误差？如何补偿？

压阻式传感器有两种类型：一类是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，形成半导体应变式传感器；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，构成敏感元件，称为扩散型压阻式传感器。

压阻式传感器受温度影响较大，会产生零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。

压阻式传感器中，扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。

传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的。当温度升高时，压阻系数变小，传感器灵敏度要降低，反之，则灵敏度升高。

零位温漂一般可用串、并联电阻的方法进行补偿。

灵敏度温漂通过在电桥的电源回路中串联二极管来补偿。

另外，压阻式传感器也可将四个扩散电阻接成全桥，为了减小温度的影响，可采用恒流源供电。

可见，电桥的输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，也与电源电流成正比，输出电压与恒流源电流的大小和精度有关，但与温度无关，所以恒流源有很好的温度补偿作用。

压力传感器，让物体有了触觉，压阻式压力传感器的工作原理

什么叫传感器？由敏感元件和转换元件组成的能感受规定的被测量大小的器件或装置，在感受的过程中，运用一定的物理规律和数学函数法则完成信号的相互转换。一般情况下，是按照一定规律转换成为电信号（电压或者电流或线路的通断等），信息易传输、处理、存储、显示、记录和控制。敏感元件有热敏、光敏、气敏、力敏、磁敏、湿敏、声敏、色敏、味敏、放射线敏感元件十大类，可分为三大类：物理类（产生力、热、光、电、磁和声等物理效应），化学类（产生化学效应），生物类（对酶、抗体、和激素等分子有识别功能）。转换元件由电表和微电脑等组成。

最早的是结构型传感器，利用结构参量变化来感受和转化信号。

70年代的固体型传感器是利用材料某些特性制成，由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成。现代智能型传感器，采用检测技术与微电脑相结合，传感器有了一定的人工智能。

传感器能够感受力、温度、光、声、化学成分等物理量，现代传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，可实现自动检测和自动控制，传感器让物体有了触觉、味觉、嗅觉、听觉等人类的感官功能，让物体人性化、智能化。例如，光敏传感器可产生视觉，声敏传感器可产生听觉，气敏传感器可产生嗅觉，化学传感器可产生味觉，压敏、温敏、流体传感器可产生触觉。

传感器种类繁多，本文为科普读者通俗介绍压阻式（半导体和陶瓷式）压力传感器的工作原理。

由于金属导体的电阻值由材料金属导体的电阻率（Ω•m2/m）、导体的截面积（m2）、导体的长度（m）、温度因素决定的，所以，当半导体电阻受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，电阻值就会发生改变，只要测出加在电阻两端的电压或线路中电流值就可以知道压力大小的变化。

压阻式压力传感器工作原理。压力使半导体薄片表面产生变形，其电阻发生变化，引起电路中的电流变化或者电压重新分配，这样，压力、电阻、电流（电压）就形成一一对应的数学函数关系，通过智能计算就可以知道被测量的压力大小，举例子说明如下。

如下图是测量压力的电子秤，由电源、保护电阻R0、理想电压表、压敏电阻R组成一个电路，电压表的指针可显示测量的压力值，压敏电阻R阻值与压力大小的函数关系是在制作传感器之前在实验室中经过无数次实验数据而得到的统计值，下表是一个传感器的参考值。

在坐标系中描出上表中电阻R随压力F变化关系图线，并归纳出R与 F之间的函数关系式。根据这个关系，就可以把电压表的电压值“偷梁换柱”为压力值，如果是正比例关系，其刻度是均匀的，否则，是不均匀的。如果把这个规律输入电脑中，电脑就可以自动计算并显示压力值，这就是智能压力传感器了。

下面也是一个压力传感器的原理图，读者自己可以尝试说说其工作原理吗？

陶瓷压力传感器，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，压力直接作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生微小的形变，由于压敏电阻阻值的变化，使与其连接的惠斯通电桥产生一个电阻与压力高度成正比的电压信号（根据压力量程不同有2.0V、3.0 V、 3.3 mv等）。此类型的压力传感器具有高温稳定性、时间稳定性、测量精度高、抗腐蚀等优点，工作温度可达-40～135℃，可与绝大多数介质直接接触。

压力传感器是工业中最为常用的一种传感器，广泛应用于自控环境，涉及水利水电、智能建筑、铁路交通、航空航天、生产自控、石化、油井、军工、电力、机床、船舶、管道等行业。

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