压力传感器在汽车引擎燃油刹车等部分应用介绍
?发表时间：2013-08-27 15:05:00
?文章出处：传感器专家网
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随着汽车行业燃油经济性的要求日益提高以及排放标准越来越严格，越来越多的系统应用到汽车当中，例如进气/尾气管理系统、燃油蒸汽管理系统、刹车助力系统、柴油颗粒滤清系统等。这些系统都需要借助压力传感器快速准确获得的压力信息来确定系统的状态和下一步的动作。
迈来芯公司在压力传感器的研发和生产上积累了多年的经验，其集成的压力传感器系列能够根据客户应用的要求提供不同工作模式、不同量程范围的芯片。迈来芯将MEMS工艺和CMOS工艺集成到同一个芯片上，实现了从压力传感到信号处理整个流程的单芯片解决方案。
本文主体部分针对几种典型的应用进行了简要介绍，并推荐了适合该应用的迈来芯相应的压力传感器芯片。
1.进气/尾气管理系统
汽车引擎管理系统需要在适当的时间喷射适量的燃油到气缸中，这样可以使得燃油充分有效的燃烧，达到最佳的燃烧效率，减小污染。引擎管理器的ECU做决定是基于一系列的传感器信号的，例如曲轴位置、凸轮轴位置、空气流量、进气歧管温度、进气歧管压力等。其中进气歧管压力传感器是一个工作在绝压模式的压力传感器，ECU根据该压力信号计算需要喷射的燃油量，使得燃烧过程获得最佳的空燃比。MLX90808-1和MLX90810适合于这样的应用(满量程范围为100KPa左右)，可以提供准确的进气歧管压力信息。有些车辆搭载了涡轮增压系统，进气歧管在涡轮增压器之后，这会使进气歧管中的压强高达约400KPa。
MLX90808-2可以用于带有涡轮增压系统的进气歧管压力检测。为了减少氮氧化物的排放，有些车辆搭载了EGR(ExhaustGasRecirculation,废气再循环)系统。EGR系统将一小部分废气引入进气歧管，由于废气具有惰性会延缓燃烧过程，燃烧速度将会放慢，燃烧最高温度降低，燃烧室中的压力形成过程放慢，从而减少氮氧化物的产生。由于废气温度高并且含有多种有腐蚀性的物质，因此搭载了EGR系统的车辆对进气歧管压力传感器提出了更高的介质兼容性要求。
2.燃油蒸汽管理系统
由于燃油的挥发是碳氢排放的主要原因之一，在美国一些州的法令中强制要求对汽车的燃油
蒸汽进行管理。在加油站给汽车加油时燃油蒸汽会直接排放到大气中，这样既不环保又浪费了燃油。搭载燃油蒸汽管理系统汽车的油箱蒸汽通过分离阀经管道进入活性炭罐，活性炭罐中的活性炭多孔且表面积很大，可吸附大量燃油蒸汽分子。活性炭罐与引擎的进气歧管相连，当引擎运转在进气冲程时时，活塞运动使进气歧管产生低压，在进气歧管低压吸力作用下，空气从活性炭罐中经过，将活性炭罐中吸附的燃油蒸汽分子送入引擎燃烧，使之得到充分应用，活性炭罐中活性炭的吸附能力得到恢复。燃油蒸汽管理系统中需要微压传感器(表压模式)来检测燃油蒸汽是否有泄露，迈来芯公司的MLX90807-0适合这种微压强(例如满量程
5KPa)的应用。
3.刹车助力系统
真空刹车助力器是真空助力伺服制动系统的核心部件，利用引擎进气歧管的真空和大气压的压差进行刹车助力。如图所示是一个真空助力器的示意图，在刹车未踩下时，气室膜片隔板将真空助力器分为的两个腔是连通的，通过真空单向阀接到引擎的进气歧管，两个气室均为真空。踩下刹车制动踏板时，气室膜片隔板移动，空气阀打开，真空阀关闭，气室的前腔为真空，气室的后腔与大气相连。两个腔之间的压力差作用在气室膜片隔板上，相当于增加了刹车制动力，制动力通过制动主缸推杆传到制动主缸，实现刹车功能。
如果刹车助力系统出现漏气现象，会造成在刹车时气室前后腔的压差很小甚至消失，刹车助力系统失效，造成制动距离增加，制动困难等。另外燃油直喷系统和起停系统的搭载使得汽车进气歧管的真空度降低，就需要安装真空泵提供真空来源以满足刹车助力系统的要求。在上述两种情况下都有必要增加一个压力传感器来监测气室前后腔之间的压力差是否合适，如有漏气则应启动相应的警告系统，如果真空度不够则应通知ECU启动真空泵提供额外的真空。MLX90809是一款专门针对该应用设计的压力传感器，可工作在100KPa满量程的差压/表压模式，适合刹车助力系统的应用。
4.柴油尾气滤清系统
由于柴油引擎的物理特性，其排放的废气中除了一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以外还有一些微小的颗粒物，这些颗粒物是造成黑烟的主要原因。为了满足排放要求，减少环境污染，越来越多的柴油引擎都搭载了柴油颗粒滤清系统(DPF,DieselParticulateFilter)。柴油引擎燃烧产生的尾气经过柴油颗粒滤清器时，滤清器的多孔系统会捕捉其中的颗粒，当柴油尾气颗粒不断在滤清器中累积就会造成滤清器饱和甚至堵塞，因此需要对滤清器进行再生。通过一个差压传感器检测滤清器进气口和出气口之间的压差，当压差高于设定的阈值时认为滤清器达到饱和，ECU控制提高引擎温度，引擎排放出高温尾气以燃烧存储在滤清器中的颗粒，完成滤清器的再生。MLX90807-1可以测量40KPa到200KPa的差压，适合该应用。由于尾气温度高，并且含有多种有腐蚀性的气体和颗粒，需要考虑介质兼容性的问题。
5.以天然气/液化石油气为燃料的系统
由于天然气/液化石油气价格相对便宜，排气污染小，安全可靠，车辆改装简单，一些产天
然气/液化石油气的国家和地区越来越多的使用天然气/液化石油气作为燃料。在保留原车供油系统的情况下，增加一套专用的天然气/液化石油气装置，形成“双燃料汽车”。压缩天然气/液化石油气被储存在钢瓶中，通过减压阀和压力调节器将钢瓶中的高压燃气送到燃烧室与
空气充分混合后燃烧为汽车提供动力。通过两个压力传感器分别监测燃气和进气歧管中空气的压力可以更好的控制空燃比，达到最佳的燃烧状态，提高燃料的经济性，减少污染。MLX90808-2芯片可以工作于绝压模式，测量400KPa满量程的绝压，适合于监测燃气和进气歧管的压力。
迈来芯除了提供集成式的压力传感器以外还提供汽车等级的信号处理芯片，例如MLX90320、MLX90328，在一些高压、恶劣介质的压力环境可以考虑采用信号处理芯片跟陶瓷/金属传
感头配合使用的解决方案，例如空调冷媒压力传感器、机油压力传感器、变速箱压力传感器、刹车油压传感器、高压共轨压力传感器等应用。
一、传感器的定义 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 二、传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： １、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 ３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量(“１”和"０”或“开”和“关”)的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。 关于传感器的分类： 1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等； 2.按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等； 3.按照传感器转换能量的方式分： (1)能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等； (2)能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等； 4.按照传感器工作机理分： 结构型：如：电感式、电容式传感器等； (2)物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等； 5.按照传感器输出信号的形式分： (1)模拟式：传感器输出为模拟电压量； (2)数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。 三、传感器的静态特性
(1) 1 dR d R dA A 四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上， 使它产生变形，在其变形的部位粘 贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称 为电阻应变式压力传感器。 1.2电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片 箔式应变片是以厚度为0.002―― 0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔 栅宽度为0.003――0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝 （直 径0. 015--0. 05mm ），平行地排成栅形（一般2――40条），电阻值60――200 ?， 通常为 120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即 制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于 待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时， 电阻片 也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 I 绘式应吏片 b ）笹式应变片 材料的电阻变化率由下式决定:
式中; R—材料电阻2
3 —材料电阻率 由材料力学知识得; K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分 dR 、dL 改写成增 量出、/L,可得 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形 而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了 ZR 的变化，也就得 到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 「测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括彳测中压用的膜片一一应变筒式压力传感器 -测高压用 的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片一一应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有 较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、 动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。 适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如 火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性 较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于 0.5%，同时又有较高 的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片一应变筒式压力传感器相比， 自振频率较低，因此在低dR "R [(1 2 ) C(1 2 )]
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P1=date; delay(10); lcden=1; delay(5); lcden=0; } void display() { ulongtamp,zhl; if(zhl>0||zhl<16777216)//进行判断是否满足条件 { tamp=((zhl*298)/100000)-24714;//进行AD转换计算 shiqian=tamp/10000; //进行计算 qian=tamp%10000/1000; bai=tamp%10000%1000/100; shi=tamp%10000%1000%100/10; ge=tamp%10000%1000%100%10; write_com(0x80+0x05); //表示使用哪个1602中的地址显示 write_data(table[shiqian]); // 显示值 delay(50); write_com(0x80+0x06); //表示使用哪个1602中的地址显示 write_data(table[qian]); // 显示值 delay(50); //延时，主要是用来解决显示屏是否忙还是不忙 write_com(0x80+0x07); write_data(table1[0]); delay(50); write_com(0x80+0x08); write_data(table[bai]); delay(50); write_com(0x80+0x09); write_data(table[shi]); delay(50); write_com(0x80+0x0A); write_data(table[ge]);
常用压力传感器原理分析 振膜式谐振压力传感器 振膜式压力传感器结构如图(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力 p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振 频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为 f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。 在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图(b)所示 压电式压力传感器 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电 的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造 多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系： Q=kSp 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力 均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
给煤机称重传感器原理和使用知识 2011-8-23 20:11:00 来源： 称重传感器按转换原理分为电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类传感器，以电阻应变式使用最广。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。本文介绍称重传感器的工作原理和使用注意事项等知识。 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体(弹性元件，敏感梁)在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述称重传感器工作原理。 称重传感器原理图 一、传感器电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = ρL/S(Ω) (2—1) 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。 对式(2--1)求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 (2—2) 用式(2--1)去除式(2--2)得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S (2—3) 另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r (2—4) 从材料力学我们知道 Δr/r = -μΔL/L (2—5)
电阻应变式压力传感器工作原理细解 201１—10-14 １5：37元器件交易网 字号： 中心议题: 电阻应变式压力传感器工作原理 微压力传感器接口电路设计 微压力传感器接口系统得软件设计 微压力传感器接口电路测试与结果分析 解决方案： 电桥放大电路设计 AD7715接口电路设计 单片机接口电路设计 本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出得模拟变量，然后用IＮA11８放大器将此信号放大,用7７15A/D 进行模数转换，将转换完成得数字量经单片机处理,最后由LCD 将其显示，采用LM３34 做得精密5 V 恒流源为电桥电路供电,完成了微压力传感器接口电路设计,既能保证检测得实时性，也能提高测量精度。 微压力传感器信号就是控制器得前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取得信号能否进行准确地提取、处理就是衡量一个系统可靠性得关键因素.后续接口电路主要指信号调节与转换电路,即能把传感元件输出得电信号转换为便于显示、记录、处理与控制得有用电信号得电路。由于用集成电路工艺制造出得压力传感器往往存在:零点输出与零点温漂，灵敏度温漂,输出信号非线性,输出信号幅值低或不标准化等问题。本文得研究工作，主要集中在以下几个方面： (1）介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统得组成与工作原理。
（2）系统得硬件设计，介绍主要硬件得选型及接口电路,包括Ａ/D 转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。 (3）对系统采用得软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图,包括主程序、A/Ｄ转换程序、16０2显示程序。 1 电阻应变式压力传感器工作原理 电阻应变式压力传感器就是由电阻应变片组成得测量电路与弹性敏感元件组合起来得传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面得电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值得变化。这样弹性体得变形转化为电阻应变片阻值得变化。把4 个电阻应变片按照桥路方式连接,两输入端施加一定得电压值，两输出端输出得共模电压随着桥路上电阻阻值得变化增加或者减小。一般这种变化得对应关系具有近似线性得关系。找到压力变化与输出共模电压变化得对应关系,就可以通过测量共模电压得到压力值。 当有压力时各桥臂得电阻状态都将改变，电桥得电压输出会有变化. 式中：Uｏ为输出电压，Ui 为输入电压。 当输入电压一定且ΔＲi 〈
02zn 02{N y Hn 0vuo ==+:[0<05}9@ d Y w d M _2p ==+://omprrrqq <052|E vuo ==+:E B 2vuo y omprrrqq <05ypopmrqsvq <05p ./B c y Q p I A p _r Q p |D W +==+q /2Q E Q p L L y 766?p p <05p p ==+:p ==+q /p ?A;p ;>+: 05<05-05==+:?A;65@pooomooo xwouxmpo prrmrqqo xmwouut uwxsmxrx ==+q /, s p 05;>+:pooooomo rrwumrww p xwmouxpo omprrrqq omooxwo umwxsxr poomoooo rmrwurww omoopooo omoxwoux omoooprr omoouwx ompooooo omoorrwu omopopxv p omooprtx omooooxx omovorov pmopxuwx omorstro vmtooupu vrtmtvwv p omovrttvw tpmvpuro vtomouq qtmsoooo popmxuwx poooomqo prmtxts p vormov popxumwx rstmrqso ompstorw psmqqrrs omopxrru omoopsq p psmtorrx omsxppsp omopoooo omxwouxp omooprrr omooooxw omouwxsv p omorrwur omqxtr qwmxtxvx omorxrvo omooqwxt qmoruovs qxmtqxxw p D ]T =1x `n q o \K D ]v =|b ,~}Q p .,~}]=@xmt ==/D ]N K ,@pnpooo D n q |b Q p J o Dm =V n q 2Uy n q @ <05k <:9n 7=k 65@k ?A;k ==+:k ==+q /k ;>+:G n q @<05k <:9n 7=k 65@k ?A;D C U u k :o @S *:o 2_8{8=f 7:o 2:p 8u k :o 2C I u k :o p f D K u k`8Q F 7 .b f 7U *j @@qmtk tk pook too =A /D :>u u k .plt 4}|/ D s3}<+3+235G J <+3+D z 25F g = D
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第一节中国压力传感器行业发展分析 (2) 一、2012-2017年1-6月中国压力传感器行业发展态势分析 (2) 二、2012-2017年1-6月中国压力传感器行业发展特点分析 (3) 三、2012-2017年1-6月中国压力传感器行业市场供需分析 (4) 第二节中国压力传感器产业特征与行业重要性 (4) 第三节压力传感器行业特性分析 (5) 第四节2012-2017年1-6月中国压力传感器市场规模分析 (5) 第五节2012-2017年1-6月中国压力传感器区域市场规模分析 (5) 一、2012-2017年1-6月东北地区市场规模分析 (5) 二、2012-2017年1-6月华北地区市场规模分析 (6) 三、2012-2017年1-6月华东地区市场规模分析 (7) 四、2012-2017年1-6月华中地区市场规模分析 (8) 五、2012-2017年1-6月华南地区市场规模分析 (9) 六、2012-2017年1-6月西部地区市场规模分析 (10) 第六节2017-2021年中国压力传感器市场规模预测 (11) 1
第一节中国压力传感器行业发展分析 一、2012-2017年1-6月中国压力传感器行业发展态势分析 随着近年来传感器技术的不断发展与进步，传感器的种类繁多，在工业和生活中都有十分广泛的应用，虽然国内的传感器技术在迅速的发展，与国外相比还是有一定的差距，在企业能力建设方面，主要有以下几点： 1、企业规模小，很多都是中小型企业，产品总的运作能力不强，产值相对低下，难以于国外公司相抗衡。所以，当遇到竞争的时候往往处于劣势。 2、研发能力普遍投入不足，很多企业经不起人力物力长期投入，导致技术创新能力低，研发投入同压力传感器销售收入的比值与国外相比大约差百分之七。 3、企业生产效率不高。由于压力传感器属于高科技行业，需要借助高水平的工艺设备和制造设备，同时企业管理水平也是一个很重要的方面，这些因素一起导致企业生产效率不高。 在技术水平方面，压力传感器整体性能水平不足主要体现在： ①产品性能落后，功能比较单一。比方说在测量精度上，与国外同类型号产品大概相差一个数量级。国外很多产品都实现了集成化和智能化，对数据的处理能力也大副提高，能很好抑制外界环境对产品性能的干扰，抵抗恶劣环境能力强。在传感器组网方面，我们还才刚刚起步，国外已经进入使用阶段。 ②由于基础制造和工艺水平的限制，很多影响压力传感器性能的关键技术我们还没能掌握，导致产品稳定性可靠性降低。焊接技术、精密加工技术、密封技术都需要提高，这些都直接影响着传感器的性能。 ③缺少对行业的研究，没有针对某些行业需要的压力传感器产品提供特殊专门的解决方案。现在，行业发展很快，每个行业都有一些特殊的需求，如果能提供单独的个性化方案，与特定的系统相连，定会受企业的欢迎。 ④产品更新周期长，很多企业都是靠多年前开发的产品维持运营，新技术的储备能力不够。通常的做法是引进国外的一些技术来实现新产品的更新，往往引 2
MEMS压力传感器 姓名：唐军杰 学号：09511027 班级： _09511__
目录 引言 (1) 一、压力传感器的发展历程 (2) 二、MEMS微压力传感器原理 (3) 1.硅压阻式压力传感器 (3) 2.硅电容式压力传感器 (4) 三、MEMS微压力传感器的种类与应用范围 (5) 四、MEMS微压力传感器的发展前景 (7) 参考文献 (8)
内容提要 在整个传感器家族中，压力传感器是应用最广泛的产品之一， 每年世界性的压力传感器的专利就有上百项。微压力传感器作为微 型传感器中的一种，在近几年得到了快速广泛的应用。本文详细介 绍了MEMS压力传感器的原理与应用。 ［关键词］：MEMS压力传感器微型传感器微电子机械系统 引言 MEMS（Micro Electromechanical System，即微电子机械系统） 是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源于一体的微型机电系统。它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器在航空、航天、汽车、生物医学、环境 监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的 应用前景。 MEMS微压力传感器可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过 程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使 压力控制变得简单、易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基 于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此 它不可能如MEMS微压力传感器那样，像集成电路那么微小，而且 成本也远远高于MEMS微压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS微压力传感器的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，相对于 传统“机械”制造技术，其性价比大幅度提高。
压力传感器 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。 力学传感器的种类繁多，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。下面我们主要介绍这类传感器。 1、压阻式压力传感器原理与应用： 压阻式压力传感器是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。压阻式传感器常用于压力、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。 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器结构 压阻式压力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。
电阻应变式压力传感器工作原理细解 2011-10-14 15:37元器件交易网 字号： 中心议题： 电阻应变式压力传感器工作原理 微压力传感器接口电路设计 微压力传感器接口系统的软件设计 微压力传感器接口电路测试与结果分析 解决方案： 电桥放大电路设计 AD7715接口电路设计 单片机接口电路设计 本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的模拟变量，然后用INA118放大器将此信号放大，用7715A/D 进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD 将其显示，采用LM334 做的精密5 V 恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。 微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在以下几个方面：
(1)介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。 (2)系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D 转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。 (3)对系统采用的软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图，包括主程序、A/D 转换程序、1602显示程序。 1 电阻应变式压力传感器工作原理 电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。 当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。 式中：Uo 为输出电压，Ui 为输入电压。 当输入电压一定且ΔRi <
２０１８年 第２期仪表技术与传感器 Ｉnsｔｒumenｔ Tecｈnｉque ａnd Sensoｒ２０１８ Ｎo．２ 收稿日期：２０１７－０２－２４卫星用高精度压力传感器研究 付新菊，关威 （北京控制工程研究所，北京100094) 摘要：针对卫星用压阻式压力传感器存在温度漂移误差的问题，提出在传感器内部压力芯片处嵌入高精度温度传感器，使传感器具备压力二温度一体化测量和标定的功能三通过曲面拟合，采用最小二乘法完成对压力传感器的标定补偿工作，将压力传感器的测量精度提高到０．０４１８％三 关键词：曲面拟合；误差补偿；高精度 中图分类号：Ｖ４４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１８)０２－０１５１－０３ Research on High Precision Pressure Sensor Used in Satellite FUＸｉn-ｊu，GUＡＮWeｉ （Beijing Institute of Control Engineering，Beijing100094，China) Abstract：Ｉn oｒdeｒｔo soｌveｔemｐeｒａｔuｒe dｒｉｆｔeｒｒoｒoｆｔｈeｐｉezoｒesｉsｔｉveｐｒessuｒe sensoｒused on sａｔeｌｌｉｔeａｐｐｌｉcａｔｉon，ｈｉgｈ-ｐｒe-cｉsｉonｔemｐeｒａｔuｒe sensoｒembeddedａｔｔｈeｐｒessuｒe cｈｉｐｗａsｐｒoｐosed，soｔｈａｔｔｈeｐｉezoｒesｉsｔｉveｐｒessuｒe sensoｒｈａsｔｈeａbｉｌｉｔy oｆｐｒessuｒe/ｔemｐeｒａｔuｒeｉnｔegｒａｔe meａsuｒemenｔａnd cａｌｉbｒａｔｉon．Tｈe cuｒve suｒｆａceｆｉｔｔｉng meｔｈod by usｉngｔｈeｌeａsｔ-squａｒe meｔｈod ｗａs usedｔo comｐｌeｔe cａｌｉbｒａｔｉon comｐensａｔedｗoｒk oｆｔｈeｐｒessuｒe sensoｒ，ｗｈｉcｈｉncｒeａsedｔｈeｐｒessuｒe sensoｒmeａsuｒemenｔａc-cuｒａcyｔo０．０４１８％． Keywords：cuｒve suｒｆａceｆｉｔｔｉng；eｒｒoｒcomｐensａｔｉon；ｈｉgｈｐｒecｉsｉon 0 引言 卫星用压力传感器的作用是向卫星遥测系统提供推进剂贮箱及气瓶的压力值，用于剩余推进剂量计算二预测卫星在轨寿命二监视系统状态以及协助系统进行故障判断与定位等三随着空间飞行器推进系统故障诊断和状态监测系统技术水平的提高，对压力传感器的精度要求越来越高，尤其是在卫星寿命期内，精确地估算推进剂剩余量至关重要，迫切需要研制高精度压力传感器三 硅压阻式压力传感器具有较好的介质相容性和长期稳定性，灵敏度高二动态响应快二测量精度较高，在空间飞行器上应用广泛三其芯片是半导体产品，输出易受压力和温度的交叉敏感影响，严重影响传感器的线性度，因此要研制高精度压力传感器，必须对传感器的输出特性进行补偿校正［１］三 本文在分析比较各种误差校正技术的基础上，选取曲面拟合方法，通过在传感器内部嵌入高精度温度传感器，使传感器具备压力二温度一体化测量和标定的功能，利用最小二乘法完成对压力传感器的标定补偿工作，将压力传感器精度提高到０．０４１８％三1 误差校正技术 压力传感器的误差校正技术有传统的误差校正 技术和数字补偿技术两种三传统方法是采用模拟方 式对传感器输出信号进行校准和补偿三难度比较大， 补偿精度不高，且受限于补偿元件的非线性误差，补 偿元件受温度漂移的影响，无法进行逐点补偿，因此 精度不高二线路复杂［２］三现代信号调理技术是采用数字式调整模拟系统，较常用的有分立补偿算法和数据 融合技术三分立补偿算法特点是试验及标定比较简 单，但对精度指标的贡献有限［３］三 数据融合是一项多数据综合处理技术，最大优势 在于能充分综合有用数据，提高目标参数测量的准确 性［４］三数据融合技术主要有曲面拟合法二二元插值法二神经网络算法三二元插值法的优点是速度快，精度高，缺点是需要预先在ＥPROＭ中输入对照数据表，不但工作量大，而且易出错三神经网络法拟合出的数据精度很高，是目前研究的热点之一，但神经网络算法需要数据量大，编程复杂，一般的微控制器难以胜任，且具有网络不太稳定，训练周期长等缺点三曲面拟合法拟合出的数据精度较高，是目前较成熟的补偿方法三如美国Ｋuｌｉｔe公司采用曲面拟合方法补偿的压阻式压力传感器的零点温度漂移和灵敏度 万方数据
世界传感器市场分析（32）—半导体生产设备中的UCM传感器 超声传感器、电容传感器、磁传感器一般统称为UCM传感器，该类传感器目前已 经非常普及，在水处理、石油、化工、化学、汽车等领域已具有了成熟的市场。但据有 关市场研究表明， UCM传感器在半导体生产设备（SEM）方面目前尚处于早期发展阶段。 SEM主要用于半导体产品生产、装配和性能测试，是一个资本密集的全球性行业。随着半 导体技术的迅速发展，对SEM提出了更高的要求，促使其加快技术的进步与更新以适应时 代的需求，所以该行业有望成为UCM传感器的主要市场。 目前，UCM传感器在半导体行业的应用还是比较有限的，但其销售额却持续增长。2000年 UCM传感器在SEM领域的总销售额为1.249亿美元，年增长率为6.9%，2001年达到了1.443 亿美元，年增长速度达到了7.1%。预计到2007年7.1%的年增长率将会保持，且随着UCM传 感器价格的下降，其需求量还会增加。 UCM传感器主要包括基于超声原理的流量传感器、物位传感器和位置传感器，电容式的接 近传感器、位置传感器和压力传感器，基于磁学原理的位置和流量传感器。由于价格昂 贵，尤其是超声流量计和电磁流量计，使UCM在SEM领域的应用受到了限制。然而，随着 半导体生产商不断引进新的技术，这些传感器将会有更广泛的应用。有关专家也分析了 几种不利于市场发展的因素。首先，半导体企业已经开始自己生产传感装置，并趋向于 向数字化技术和电子技术方向发展。其次，传感器市场的国际化也使传感器生产向国际 化发展，最后，传感器技术还无法满足半导体行业严格的生产标准。
技术的革新对UCM传感器的销量增长起着巨大的作用。例如目前最新型的MEMS传感器—超 声MEMS传感器已研制成功，它采用硅基超声传感技术，既经济又实用，代表了超声传感 器技术的发展前沿。与原有的超声传感器相比，MEMS超声传感器在性能方面有了质的提 高，而在价格方面却有了一定量的下降，很好地满足了高性能、低价格的大量应用的需 求。 半导体生产商越来越需要高精度、高静压与高智能的测试设备，传感器生产商也正在努 力满足这方面的需要，当前有向数字输出与界面化发展的趋势。如在磁性传感器领域较 为重要的进展就是其智能化单片集成系统。在主板上设置内存最主要的优点是可以使霍 尔位置传感器生产商制作出更多更好的智能传感器。SMART技术在超声与电容传感器方面 也同样越来越重要。 2000年超声传感器在SEM领域的年销售额达到了2860万美元。流量测量方面，多普勒超声 流量计更多地应用于较脏的环境中，半导体生产的超净环境倾向于选用传统的计时流量 计。超声物位传感器是一种利用声波的非接触式测量系统，而超声接近传感器则是通过 激发压电信号产生声波，检测目标物是否存在或测量到目标物的距离。超声传感器随着 精度的不断提高，销售量也在提升，但是巨额开发成本也在一定程度上阻碍了市场的扩 张。 2000年电容式传感器在SEM市场的销售额达到了3200万美元，这其中主要包括电容式位置 传感器、接近传感器和压力传感器。非接触式位置传感器具有较高的分辨率且比较牢固 耐用。接近传感器在探测非金属目标的场合是理想的选择。压力传感器价格昂贵，市场
MEMS压力传感器原理与应用 摘要：简述MEMS压力传感器的结构与工作原理，以及应用技术，MEMS压力传感器Die的设计、生产成本分析，从系统应用到销售链。 关键词：MEMS压力传感器 惠斯顿电桥 硅薄膜应力杯 硅压阻式压力传感器硅电容式压力传感器 MEMS（微电子机械系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者 都是在硅片上生成的微机械电子传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。 MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空
科技成果——高精度硅谐振压力传感器 技术领域新一代信息技术 技术开发单位中国科学院电子学研究所 技术概述高精度压力传感器采用先进的换能机制，利用单晶硅的良好机械特性，将压力的作用应力转化机械部件的固有频率，并输出。传感器具有低迟滞误差、重复性好，长期稳定性好等优点。 （1）采用基于双谐振器的原位温度自补偿技术，有效解决传感器温度漂移问题，实现了全温区0.01%FS精度等级； （2）采用全温区稳幅闭环控制技术，有效降低传感器非线性误差，结合温度自补偿技术，有效拓展了传感器温区和提升了宽温区精度； （3）传感器采用圆片级的真空封装技术，保证了传感器的综合性能，有效抑制传感器的时间漂移问题。 项目已研制出应用于军用航空大气数据系统传感器PRS2511、2512和RPS5611、工业校准领域传感器RPS2513、以及民用大气压力传感器MERPT-M1等系列产品。产品综合精度优于0.02%FS，年漂移低于100ppm，可靠性指标优于30万小时。由李树深、刘明等院士专家组成的鉴定委员会认为：传感器整体性能处于国际先进水平，温度跟随性指标居国际领先。 技术特点 基于双谐振器设计的高精度硅谐振压力传感器综合精度高、分辨率高、稳定性好、可靠性强、温度跟随性好、温度范围和测量范围大、
体积小、功耗低、能批量化制造、成本低。 技术指标 先进程度国际先进 技术状态小批量生产、工程应用阶段 适用范围 （1）航空大气数据系统 军用飞机的航空大气数据系统采用综合精度优于0.02%FS的高精度压力传感器，用于测量飞机飞行的高度、速度、攻角等参数。本项目所研制的硅谐振压力传感器产品精度水平满足航空大气数据系统要求。2015年，项目组与太原航空仪表有限公司开展合作，研制两款压力传感器产品，开展国产化替代工作，解决了进口产品使用温区限制、温度跟随性差、启动时间长的问题。目前RPS2511、2512产品已完成正样阶段，进入设计定型阶段；RPS5611产品目前正处于初样
一、压力传感器芯体 1、概述 陶瓷压力传感器：抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。 2、技术参数 综合误差：包括线性度、迟滞性和重复性。 温度漂移：温度漂移指的是因温度变化所导致的输出电压变化，以ppm／oC为单位来表示。温度漂移可用多种方法(斜坡、蝶形电路或逻辑框)来确定，但最常用的 方法是逻辑框法，计算公式如下： TC|ppm/oC|=((Vmax-Vmin)*10^6)/((Tmax-Tmin)*Vnom) 由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原 因，因此也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。 灵敏度： 稳定性：稳定性是指“测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力”。 3、各厂商产品 、公司名称：上海全宇机电科技发展有限公司 公司简介：全宇公司系中美合资企业，引进美国先进产品设计、生产经验和自动化设备，专业生产经营压力传感器、变送器，温度传感器、变送器，配套仪表和工业自动控制系统等，早期代理德国E+H产品，在以压力传感器为主导产品的经营生产中不断坚持技术创新，提高效率和产品品质。 陶瓷压力传感器网址链接： 产品介绍： QYP18c是全温度补偿型，保证在使用温度范围内，温度漂移最大不超过±% FS /°
QYP18c-500 - 50125/ QYP18c-1000 - 100200/ QYP18c-2000 - 200400/ 综合精度(线性+ 迟滞性) < ±% FS [端点线性度] 重复性< ±% FS 电气规格: ·最大激励电压30 Vdc ·桥路阻抗11 KW ±30% ·零点偏移￡ ±mV/V ·抗绝缘性> 2 KV ·零点长期稳定性@ 20 °C ±% FSO, typ. (无时间累积性) 环境规格: ·直接接触液体材料Alumina Al2 O3 –96% ·使用温度- 40 up to + 135°C ·储藏温度- 50 up to + 150°C ·温度漂移(零位&灵敏度) ￡ ±% FS / °C [范围2 ~ 100 bar] ￡ ±% FS / °C [范围200 bar] ·相对湿度(1) 0 - 100% ·传感器重量< 7 g 、公司名称：深圳市新世联科技有限公司 公司简介：深圳市新世联科技有限公司(Apollo Electronics),是主要面向OEM厂商服务的传感器产品销售和传感器技术支持的公司。 Apollo是以传感仪表和自动控制技术、光电技术、网络与信息技术为主要发展方向的高科技公司，于2000年创立于香港，目前Apollo及其关联公司和业务发展遍及全球各地。 在传感和控制产品领域，它为全球驰名的厂商提供中国地区产品销售和技术支持服务，也是目前中国及香港地区较大规模和增长迅速的专业的传感和控制产品供应商。 它已具备10年以上传感和控制产品经验，专业技术背景的销售人员提供客户强大的技术支持，它可提供的传感与控制元件产品覆盖面极为广泛，它已成为业界最为优秀的整体传感产品方案配套商。 陶瓷压力传感器网址链接： 产品介绍： 技术参数 供电电压：5～30VDC 桥臂电阻：11K±20% 量程范围：1bar～600bar bar 响应时间：<1mS 综合误差（包括：线性，迟滞， ～FS% 重复性） 零点输出：0±mV/V 满量程输出：～mV/V 温度特性：（温补范围：0～70℃）±%FS/℃稳定性：<%FSO/年 工作温度：-40～125℃