压阻式压力传感器原理 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
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。
压阻式压力传感器工作原理应用
当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上，其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传感给半导体芯体。受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。不锈钢波纹膜片壳体感受压力并保护芯体，因而压阻式压力传感器能在腐蚀性的介质中感应压力信号。
压阻式压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。出现在大部分压力传感器用制造集成电路的方法，形成四个电阻值相等的电阻条，并将它们连接刻制成惠斯登电桥。惠斯登电桥采用恒流供电，这样电桥的输出不受温度的影响，惠斯登电桥检测出电阻值的变化，经过差分一化放大器，输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA的标准输出信号。
为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。
压阻式压力传感器产品推荐 ：
美国MEAS 硅压阻式压力传感器 - 27AND37
美国MEAS 硅压阻式压力传感器 27AND37 ，它采用 Measurement Specialties 的专有 UltraStable™ 冲模来提供大温度范围内的出色性能和长期稳定性。 0-15 到 0-250 psi 的测量仪和压差范围可用。
美国MEAS 硅压阻式压力传感器 - MS4425
MS4425 是一款温度补偿、硅压阻式压力传感器，采用双列直插式封装，主要用于要求出色性能和长期稳定性的成本敏感型应用。
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美国MEAS 硅压阻式压力传感器 MS4426 是一款温度补偿、压阻式硅压力传感器，采用双列直插式封装，主要用于要求出色性能和长期稳定性的成本敏感型应用。
硅压阻式压力传感器 - MS5534C
MS5534C硅压阻式压力传感器采用先进的ADC模数转换IC，提供16位的压力和温度数字输出。传感器还提供6个可读系数用于高精度软件校正。MS5534C的主要特点是低电压、低功耗，以及自动待机（ON/OFF）功能。
硅压阻式压力传感器 - 1200系列
1200系列是经过温度补偿的硅压阻式压力传感器，采用双列直插封装结构。通过激光修正电阻实现大范围的温度补偿，以及调节差动放大器的增益来校正传感器的压力灵敏度变化。
压阻式压力传感器应用：
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此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计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。
70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。这种新型传感器的优点是:频率响应高,适于动态测量;体积小，适于微型化；精度高，可达0.1～0.01％；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大、工艺较复杂和造价高等。
压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。
硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片N型定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
压力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。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压力传感器。
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。
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