固态压阻压力传感器应用指南

2006/07/18 　　　来自： 仪表隧盟

　　　半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。人类是在本世纪五十年代才开始发现和研究这一效应的应用价值的。利用压阻效应原理，采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，集应力敏感与力电转换检测于一体的这种力学量传感器，称为固态压阻传感器。以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器，它诞生于六十年代末期。显然，它较之传统的膜合电位计式，力平衡式，变电感式，变电容式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目前仍是压力测量领域最新一代传感器。由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在美，日，欧传感器市场上，它已是压力传感器中执牛耳的品种，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器的基础，因此，它仍然最受瞩目。

主要特点：

1. 灵敏度高
　　硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50～100倍，故相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高，国外称之无限，即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪声干扰限制，一般均可达传感器满量程的十万分之一以下。硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区，且线性优良。

2. 精度高
　　由于固态压阻压力传感器的感受，敏感转换和检测三部分由同一个元件实现，没有中间转换环节，所以不重复性和迟滞误差极小。同时由于硅单晶本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，因此综合静态精度很高。

3. 体积小、重量轻、动态频响高
　　由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性模数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至100千赫兹。

4. 性能稳定、可靠性高
　　由于工作弹性形变低至微应变数量级，弹性薄膜最大位移在亚微米数量级，因而无磨损、无疲劳、无老化。寿命长达107压力循环次以上。

5. 温度系数小
　　由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高，加之激光修调技术、计算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/℃数量级,即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。

6. 适应介质广
　　由于硅的优良化学防腐性能，与硅油的良好可兼容性，使得隔离式结构易于实现，即使非隔离型的压阻压力传感器，也有相当程度的适应各种介质的能力。

7. 安全防爆
　　由于其低电压、低电流的低功耗特点，它是本质安全防爆型产品，可广泛用于各种化工工业检测控制等领域，具有最优性价比。