壓阻式壓力感測器的應用領域

OFweek感測器網訊：壓力感測器是工業實踐、儀器儀錶控制中最為常用的一種感測器，並廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、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。

1954年C.S.史密斯詳細研究了硅的壓阻效應，從此開始用硅製造壓力感測器。早期的硅壓力感測器是半導體應變計式的。後來在N型矽片上定域擴散P型雜質形成電阻條，並接成電橋,製成晶元。此晶元仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。採用這種晶元作為敏感元件的感測器稱為擴散型壓力感測器。這兩種感測器都同樣採用粘片結構，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年代以來製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感測器。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矽片上，甚至將微型處理器與感測器集成在一起，製成智能感測器。這種新型感測器的優點是:頻率響應高,適於動態測量;體積小，適於微型化；精度高，可達0.1～0.01％；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；無活動部件，可靠性高，能工作于振動、衝擊、腐蝕、強幹擾等惡劣環境。其缺點是溫度影響較大、工藝較複雜和造價高等。

壓力感測器的種類繁多，如電阻應變片壓力感測器、半導體應變片壓力感測器、壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器、諧振式壓力感測器及電容式加速度感測器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力感測器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。這種感測器採用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,製成硅壓阻晶元,並將此晶元的周邊固定封裝於外殼之內，引出電極引線。

壓阻式壓力感測器又稱為固態壓力感測器，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製作電阻條，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。

壓力感測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。壓阻式感測器是用於這方面的較理想的感測器。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感測器,其工作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣數據測量系統中採用了精度高達0.05％的配套硅壓力感測器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式感測器能密集安裝在風洞進口處和發動機進氣管道模型中。

單個感測器直徑僅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,壓阻式感測器也是理想的檢測工具。已製成擴散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力感測器和能測量心血管、顱內、尿道、子宮和眼球內壓力的感測器。是一種用於測量腦壓的感測器的結構圖。

壓阻式感測器還有效地應用於爆炸壓力和衝擊波的測量、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、發射衝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壓力感測器。

隨著微電子技術和計算機的進一步發展，壓阻式感測器的應用還將迅速發展。

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