基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究
学院：机械与材料工程学院
专业班级：机械(专研)-14
学号：2014309020127
学生姓名：王宇
指导教师：赵全亮
撰写日期：2015年1月6日
目录
1.MEMS传感器概述 (1)
1.1 MEMS传感器研究现状 (1)
1.2 MEMS压力传感器分类 (1)
1.3MEMS压力传感器应用 (2)
2.基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究 (2)
2.1 SOI压力传感器简介 (2)
2.2 SOI压力传感器的理论及结构设计 (3)
2.3 SOI压力传感器总结 (6)
3.MEMS压力传感器发展趋势 (7)
1.MEMS传感器概述
1.1 MEMS传感器研究现状
进入21世纪以来，在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下，MEMS传感器技术发展迅速，新原理、新材料和新技术的研究不断深入，MEMS传感器的新产晶不断涌现。目前，MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。
其中，MEMS技术也是伴随着硅材料及其加工技术、IC技术的成熟而发展起来的，它的运用带来了传感器性能的大幅度提升，其特点主要包括:1)质量和尺寸的减少;2)标准的电路避免了复杂的线路和外围结构;3)可以形成传感器阵列，获取阵列信号;4)易于处理和长的寿命;5)低的生产成本，这包括低的能源消耗，较少的用材;6)可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料,其中压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的MEMS传感器。
1.2 MEMS压力传感器分类
MEMS传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端。压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器，其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。从信号检测方式划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式和谐振式等，其特点如下:
1)压阻式:通过测量材料应力来测量压力大小，它具有体积小、全动态测量范围的高线性度、较高的灵敏度、相对较小的滞后和蠕变的特点，此类型传感器多采用惠斯通电桥来消除温度影响；
2)电容式:通过测量电容变化来测量压力大小，相比较压阻式的传感器，它具有很高的灵敏度、低温度敏感系数、没有滞后、更高的长期稳定性，但同时它也有更高的非线性度、更大的体积，需要更复杂的检测电路和更高的生产成本；
3)谐振式:通过测量频率或频率的微分变化来测量压力大小，它可以通过诸如热、电磁和静电效应来改变膜片频率，并且可以通过真空封装来提高传感器精度；
4）压电式：压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传
感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。
此外，还有光纤压力传感器、多维力传感器等，但它们大多造价高昂或有技术局限，应用范围不如以上4种广泛。
1.3 MEMS传感器应用
MEMS压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域，压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域，MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。
2.基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究
2.1 SOI压力传感器简介
MEMS技术逐步成为跨学科高新技术研究领域，形成了包括各种微电子、微机械、微光学及各种数据处理单元的微系统，其中以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术发展迅速。而在微电子制造工艺基础上，硅微结构的MEMS 加工工艺吸收融合其他加工工艺实现各种微机械结构，应用MEMS技术研制新型的硅氧化物绝缘体(SOI)压力传感器，性能更加优良、稳定性更好、可靠性更高。单晶硅SOI压力传感器是一种新型的半导体压力传感器，它比扩散硅压力传感器具有更高的工作温度，比多晶硅高温压力传感器具有更高的灵敏度，这主要得益于它用单晶硅材料和SOI结构作应变电阻，单晶硅材料压阻系数高，并且具有相当高的纵向和横向灵敏度因子，囚此有利于设计性能优良的压阻电桥，保证传感器有很高的灵敏度和温度特性。
随着微电子技术和MEMS技术、设计技术和材料技术的不断发展，SOI压力传感器将会在现有产晶和技术的基础上进一部完善和提高，通过加速研究成果的产业化的发展，将逐步满足军事、能源、航大、交通、工业等相关市场的需求。
2.2 SOI 压力传感器的理论及结构设计 2.2.1 SOI 压力传感器的理论设计
设计制作单晶硅SOI 压力传感器的基本原理是硅单晶的压阻效应，SOI 材料的压阻效应是压阻式压力传感器实现压力测量的物理基础，即SOI 材料受到应力作用时，其电阻或电阻率发生明显变化的物理现象，使得主要晶向的压阻效应与压阻系数张量形成统一定关系。
当单晶硅结构不受应力时，对于长度为了l 0，横截面积为s 0，电阻率为ρ0
的样晶，其电阻与电阻率为：l
s
R 0
0ρ
=
(1)
对上式进行全微分，可以求得长度、横截面积和电阻率二个参数的变化对电阻值变化的影响，用相对变化率表示为:
s
r l R ds
dr
dl
dR
+
+
=
(2)
式中，l
dl
为纵向相对变化率，称为纵向应变ε，它与应力δ成正比，因此有：
E εδ= (3)
式中：E ——材料的杨氏模量；
若样晶的截面半径为r 0，则横向应变为：
s
r
ds
dr
=
(4)
横向应变与纵向应变的比值为材料泊松比υ，由于形变过程中，纵向应变的
变化趋势与横向应变相反，故二者的比值应取负号，即:l
r
dl dr
0=
υ (5)
其中式（2）的
ρ
ρ
d 为电阻率的相对变化率，由硅材料的压阻系数π决定，即：
ρ
ρ
d =πσ (6) 而在外力作用下，单晶硅的压阻系数π是一个四阶张量。由于硅单晶是立方
晶体，当坐标轴取晶轴方向时，压阻张量只有三个独立分量，它的形式为:
=π??????
???
? ??ππ
π
π
ππππππππ4444
44
11
12
12
1211121212110
（7） 其中：π
11
—纵向压阻张量，表示沿某晶轴方向应力对同一方向电阻的影响；
π
12
—纵向压阻张量，表小沿晶轴的应力对沿与具垂直的另一晶轴方向
的电阻的影响；
π
44
—剪切压阻张量，表示剪切应力对与其相应的某电阻张量分量的
影响。
硅材料的
π11
π
12
和
π
44
由试验测定。当电阻处于任意晶向时，如有纵向
应力沿此方向作用在单晶硅电阻上，则引起纵向压阻效应，如果有横向应力沿垂直方向作用在电阻上，则引起横向压阻效应。
因此，由以上各式可将式(2)转化为:
εεπνG E dR
R
=++=)21(0
(8)
上式表明材料电阻的相对变化和应变之间的比例关系。G 称为材料的应变计因子或灵敏系数，其意义是材料发生单位应变时电阻值的变化率。由式(8)可知，
材料的灵敏系数由两个因素决定:一是ν2
1+，它由材料几何尺寸的变化引起，另一个是E π，由材料受力后电阻率的变化引起。而半导体材料的灵敏系数主要由E π决定，其值约在70~170之间。由于半导体材料特别是单晶硅材料的灵敏系数较大，各种性质优良，加工工艺成熟，故单晶硅SOI 材料成为制作压阻式压力传感器芯片的首选材料。
2.2.2 SOI 压力传感器的结构设计
SOI 压力传感器芯片采用氧离子注入分离工艺实现，将一定能量和剂量的氧离子注入到硅衬底上，典型的数值为离子能量150keV ，剂量2x18cm -2，使得产
生大约O.15μm无氧非晶硅表面层和0.45μm的Si02层，在硅的顶部表面附近还存在约40nm厚的单晶硅层。为了消除生长的晶格缺陷和位错得到顶部硅与埋层界面的原子级陡峭，还需要对注入后的硅片进行高温退火，在进行退火时，Si02层上方的非晶硅层以这层单晶硅层为籽晶使整个非晶层再结晶成为单晶硅层，典型的退火温度为1150℃一1300℃下进行高温退火，从而消除氧注入的损伤，实现表面硅固相再结晶并形成良好的Si/ Si02界面，达到实现高浓度掺杂氧离子注入和高温退火的目的。在SOI结构上形成埋层氧化物Si02，获得的均匀结构以高精度地控制材料的参数，SOl结构通过加工初始薄膜，表面的薄膜能精确的确定薄膜厚度、弹性系数和掺杂的特性。对于己经制备的SOI压力芯片结构，为了获得较好的压阻效应，需要用低压化学气相沉淀方法，再生成表面测量电路硅层(厚度为5~6nm）和Si3N4保护层(厚度为0.1 nm )。用等离子体刻蚀工艺，刻蚀表面Si3N4和表面硅形成空气隔离的惠斯通测量电路，制作的硅隔离固态压阻敏感原件，将惠斯通电桥的电阻沿一定晶向制作成折条形，提高提高测量灵敏度。单晶硅SOI结构压力芯片制作工艺如图1所示。
实验中采用的SOI结构是用硅片直接键合减薄的方法制得的，采用等离子干法刻蚀电阻图形，应用各向异性腐蚀技术制作硅杯。在刻蚀折形条电阻之后，双面淀积通电桥的电阻沿一定晶向制作成折条形，提高提高测量灵敏度。单晶硅SOI结构压力芯片制作工艺如图1所示。
实验中采用的SOI结构是用硅片直接键合减薄的方法制得的，采用等离子干法刻蚀电阻图形，应用各向异性腐蚀技术制作硅杯。在刻蚀折形条电阻之后，双面淀积Si3N4之前，还需在硅片表面热分解淀积一层二氧化硅，以便在后面等离子刻蚀氮化硅时对硅片表面起保护作用。芯片制作完成后，将制成的芯片进行静电封接、压焊、封装。如图2封装后的芯片的结构。之前，还需在硅片表面热分解淀积一层二氧化硅，以便在后面等离子刻蚀氮化硅时对硅片表面起保护作用。芯片制作完成后，将制成的芯片进行静电封接、压焊、封装。如图2封装后的芯片的结构。
图1 SOI结构压力芯片制作工艺
图2 SOI压力传感器结构
2.3 SOI压力传感器总结
利用SOI材料，采用MEMS技术工艺，设计制作的SOI压力传感器具有较好的温度特性和较高的灵敏度，通过工艺改进获得了单晶硅SOI结构，优化了压阻效应的电桥设计，使得用作应变电阻的压阻系数得到提高。
3 MEMS压力传感器发展趋势
压力传感器今后主要的发展方向是继续发现新的敏感材料和研制新的加工工艺，使传感器结构更精细，性能更优越，以适应各种环境测量压力的要求。另一方面，将现代MEMS工艺与半导体集成电路平面工艺相结合使压力传感器朝着单片集成和多功能化方向发展。
而且现代精密技术的进步为生产高性能工业用传感器提供了新的手段，促使传感器从一般测量元件向长期工作的控制元件发展。这不但要求高性能、高稳定，作为一个整体传感器还必须适应各种苛刻环境并确保安全。因此，除敏感元件工艺外，系统的设计也必不可少。
压力传感器的论文 合理进行压力传感器的误差补偿是其应用的关键。压力传感器主要有偏移量误差、灵敏度误差、线性误差和滞后误差，本文将介绍这四种误差产生的机理和对 测试结果的影响，同时将介绍为提高测量精度的压力标定方法以及应用实例。 目前市场上传感器种类丰富多样，这使得设计工程师可以选择系统所需的压力传感器。这些传感器既包括最基本的变换器，也包括更为复杂的带有片上电路的高集成度传感器。由于存在这些差异，设计工程师必须尽可能够补偿压力传感器的测量误差，这是保证传感器满足设计和应用要求的重要步骤。在某些情况 下，补偿还能提高传感器在应用中的整体性能。 本文以摩托罗拉公司的压力传感器为例，所涉及的概念适用于各种压力传感器的设计应用。 摩托罗拉公司生产的主流压力传感器是一种单片压阻器件，该器件具有3类： 1. 基本的或未加补偿标定； 2. 有标定并进行温度补偿； 3. 有标定、补偿和放大。 偏移量、范围标定以及温度补偿均可以通过薄膜电阻网络实现，这种薄膜电阻网络在封装过程中采用激光修正。 该传感器通常与微控制器结合使用，而微控制器的嵌入软件本身建立了传感器数学模型。微控制器读取了输出电压后，通过模数转换器的变换，该模型可以将电压量转换为压力测量值。 传感器最简单的数学模型即为传递函数。该模型可在整个标定过程中进行优化，并且模型的成熟度将随标定点的增加而增加。 从计量学的角度看，测量误差具有相当严格的定义：它表征了测量压力与实际压力之间的差异。而通常无法直接得到实际压力，但可以通过采用适当的压力标准加以估计，计量人员通常采用那些精度比被测设备高出至少10倍的仪器作为测量标准。 由于未经标定的系统只能使用典型的灵敏度和偏移值将输出电压转换为压力，测得的压力将产生如图1所示的误差。 这种未经标定的初始误差由以下几个部分组成： a. 偏移量误差。由于在整个压力范围内垂直偏移保持恒定，因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。 b. 灵敏度误差，产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值，灵敏度误差将是压力的递增函数（见图1）。如果灵敏度低于典型值，那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。 c. 线性误差。这是一个对初始误差影响较小的因素，该误差的产生原因在于硅片的物理非线性，但对于带放大器的传感器，还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线，也可以是凸形曲线。 d. 滞后误差：在大多数情形中，滞后误差完全可以忽略不计，因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。 标定可消除或极大地减小这些误差，而补偿技术通常要求确定系统实际传递函数的参数，而不是简单的使用典型值。电位计、可调电阻以及其他硬件均可在补偿过程中采用，而软件则能更灵活地实现这种误差补偿工作。 一点标定法可通过消除传递函数零点处的漂移来补偿偏移量误差，这类标定方法称为自动归零。
压力传感器的温控系统的研究 班级：学号: 姓名: 摘要:针对压力传感器易受温度影响,产生零点漂移、测量误差增大,从而产生测量误差等问题,本文设计了一种温度控制系统,根据科恩-库恩公式建立了系统的数学模型,采用参数自整定PID控制算法,克服了纯 PID 控制有较大超调量的缺点,从而减少了温度漂移对于测量值的影响，实现了一个温度控制系统。同时利用仿真软件建立系统的仿真模型,通过仿真和测试验证系统满足设计要求。很大程度上补偿了温度所应起的温漂对于测量值影响产生的误差，是压力传感器在高温工作情况下的稳定性的得到极大的提高。 关键字：温度传感器，温漂腔体仿真操作 0 引言 针对我国当对于压力传感器材料的研究的现进成果以及压力传感器技术在我国生产技术，社会生活，军事医学等方面的广泛运用，对于传感器各方面的研究就有极大的意义，同时也为我们研究传感器提供了有力的基础。sic的耐高温,抗腐蚀,抗辐射性能,因而使用SiC 来制作压力传感器,能够克服Si器件高温下电学、机械、化学性能下降的缺陷,稳定工作于高温环境,具有光明的应用前景。 但是界温度较大时,压力传感器受温度影响精度不高,会产生零点漂移等问题,从而增大测量误差。于是尝试加工一个腔体,把压力传感器和温度传感器放置在里面形成一个小的封闭腔体,在外界温度较高或较低的情况下,用加热装置先升温到几十度并维持这一温度,给压力传感器做零点补偿,提高压力传感器的测量精度。这样就克服了在大温度范围难以补偿的问题。本文对这个温度控制系统提出了解决方案,采用了PID参数自整定控制,模糊控制属于智能控制方法,它与 PID 控制结合,具有适应温控系统非线性、干扰多、时变等特点[1-3]。 1 硬件系统 用放置在腔体内的温度传感器测量恒温箱内的温度,产生的信号经过放大后输出反馈信号,再用单片机进行采样,由液晶显示恒温箱内的温度,并通过温度控制算法控制加热装置。所使用的单片机为STC125408AD,自带A/D转换、EPROM功能,内部集成MAX810专用复位电路(外部晶振20 MHz以下时,可省外部复位电路),ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/ P3.1) 直接下载用户程序,数秒即可完成一片。 2 系统的控制模型 电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用 一阶 惯性环节描述温控对象的数学模型[5-8] 。 G(S)=K/(t′S+1) (1) 式中: K为对象的静增益;t′为对象的时间常数。 目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号,测取过程对象的阶跃响应,然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩(cohen-coon)公式确定近似传递函数。 cohn-coon 公式如下: K= Δ C/ Δ M
基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究 学院：机械与材料工程学院 专业班级：机械(专研)-14 学号：2014309020127 学生姓名：王宇 指导教师：赵全亮 撰写日期：2015年1月6日
目录 1.MEMS传感器概述 (1) 1.1 MEMS传感器研究现状 (1) 1.2 MEMS压力传感器分类 (1) 1.3MEMS压力传感器应用 (2) 2.基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究 (2) 2.1 SOI压力传感器简介 (2) 2.2 SOI压力传感器的理论及结构设计 (3) 2.3 SOI压力传感器总结 (6) 3.MEMS压力传感器发展趋势 (7)
1.MEMS传感器概述 1.1 MEMS传感器研究现状 进入21世纪以来，在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下，MEMS传感器技术发展迅速，新原理、新材料和新技术的研究不断深入，MEMS传感器的新产晶不断涌现。目前，MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。 其中，MEMS技术也是伴随着硅材料及其加工技术、IC技术的成熟而发展起来的，它的运用带来了传感器性能的大幅度提升，其特点主要包括:1)质量和尺寸的减少;2)标准的电路避免了复杂的线路和外围结构;3)可以形成传感器阵列，获取阵列信号;4)易于处理和长的寿命;5)低的生产成本，这包括低的能源消耗，较少的用材;6)可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料,其中压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的MEMS传感器。 1.2 MEMS压力传感器分类 MEMS传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端。压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器，其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。从信号检测方式划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式和谐振式等，其特点如下: 1)压阻式:通过测量材料应力来测量压力大小，它具有体积小、全动态测量范围的高线性度、较高的灵敏度、相对较小的滞后和蠕变的特点，此类型传感器多采用惠斯通电桥来消除温度影响； 2)电容式:通过测量电容变化来测量压力大小，相比较压阻式的传感器，它具有很高的灵敏度、低温度敏感系数、没有滞后、更高的长期稳定性，但同时它也有更高的非线性度、更大的体积，需要更复杂的检测电路和更高的生产成本； 3)谐振式:通过测量频率或频率的微分变化来测量压力大小，它可以通过诸如热、电磁和静电效应来改变膜片频率，并且可以通过真空封装来提高传感器精度； 4）压电式：压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传
传感器原理及工程应用（论文） 合金薄膜压 力传感器的应用 学生姓名：张志强 指导教师：任爽 所在学院：信息技术学院 专业：电气工程及其自动化 学号：20094073120 中国·大庆 2019 年12 月
目录 前言........................................................ I I 1 合金薄膜压力传感器工作原理 (1) 2 合金薄膜高温压力传感器研究现状 (2) 2.1 镍铬系合金薄膜压力传感器 (2) 2.2 铂钨合金薄膜压力传感器 (3) 2.3 钯铬合金薄膜应变计 (3) 3 多功能传感器（MULTIFUNCTION） (4) 3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式 (4) 3.2 多功能传感器的研制与应用现状 (4) 4 无线网络化（WIRELESS NETWORKED） (7) 4.1 传感器网络 (7) 4.2 传感器网络研究热点问题和关键技术 (7) 4.3 传感器网络的应用研究 (8) 结论 (10) 参考文献 (11)
前言 咨询公司INTECHNO CONSULTING的传感器市场报告显示，2019年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2019年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景,一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2019-2019年复合年增长率预计会超过25%。 目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
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，江苏省苏科仪表有限公司技术部的同志就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 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、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
The Basic knowledge of Sensor and Development of Sensor The Basic knowledge of Sensor A transducer is a device which converts the quantity being measured into an optical, mechanical, or-more commonly-electrical signal. The energy-conversion process that takes place is referred to as transduction. Transducers are classified according to the transduction principle involved and the form of the measured. Thus a resistance transducer for measuring displacement is classified as a resistance displacement transducer. Other classification examples are pressure bellows, force diaphragm, pressure flapper-nozzle, and so on. 1、Transducer Elements Although there are exception ,most transducers consist of a sensing element and a conversion or control element. For example, diaphragms,bellows,strain tubes and rings, bourdon tubes, and cantilevers are sensing elements which respond to changes in pressure or force and convert these physical quantities into a displacement. This displacement may then be used to change an electrical parameter such as voltage, resistance, capacitance, or inductance. Such combination of mechanical and electrical elements form electromechanical transducing devices or transducers. Similar combination can be made for other energy input such as thermal. Photo, magnetic and chemical,giving thermoelectric, photoelectric,electromaanetic, and electrochemical transducers respectively. 2、Transducer Sensitivity The relationship between the measured and the transducer output signal is usually obtained by calibration tests and is referred to as the transducer sensitivity K1= output-signal increment / measured increment . In practice, the transducer sensitivity is usually known, and, by measuring the output signal, the input quantity is determined from input= output-signal increment / K1. 3、Characteristics of an Ideal Transducer The high transducer should exhibit the following characteristics a) high fidelity-the transducer output waveform shape be a faithful reproduction of the measured; there should be minimum distortion. b) There should be minimum interference with the quantity being measured; the presence of the transducer should not alter the measured in any way. c) Size. The transducer must be capable of being placed exactly where it is needed.
传感器的应用 压 力 传 感 器 姓名：白智伟 学号：2011081403 班级：2011级电本2班 压力传感器 摘要：压力传感器以stc11f04e单片机为中心控制系统. 主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化，从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，然后用放大器将此信号放大。用双积分型A/D转换电路转换，将转变的数字量经单片机处理。最后由LCD将其显示。 关键词：stc11f04e；传感器；双积分型A/D转换电路。 一．系统设计 1.总体设计思路:
本设计主要由压力传感器，运算放大器，双积分型A/D转换电路，单片机，LCD显示屏构成。总体框架如下图1。 图1总体电路框图 二.各个单元电路设计 1.压力传感器的设计 采用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。 2.输入放大电路的设计 由于所测出的微压力传感器两端的电压信号较弱，所以电压在进行A/D 转换之前必须经过放大电路的放大。输入放大的主要作用是提高输入阻抗和，本设计采用OP07集成运算放大器构成同相比例放大电路，以提高电路的输入阻抗，以达到设计要求。 3.双积分式A/D转换器的设计
压力传感器文献综述 摘要：传感器技术是综合多种学科的复合型技术，是一门正在蓬勃发展的现代化传感器技术。本文通过部分文献资料对压力传感器的发展过程、研究现状和发展趋势做一简要介绍。关键词：压力；传感器； 1 压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的发展可以分为四个阶段(1) 发明阶段(1945 - 1960 年) :这个阶段主要是以1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯与1945 发现了硅与锗的压阻效应,即当有外力作用于半导体材料时,其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。 (2) 技术发展阶段(1960 - 1970 年) :随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001) 或(110) 晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点,实现了金属- 硅共晶体,为商业化发展提供了可能。(3) 商业化集成加工阶段(1970 - 1980 年) :在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术,主要有V 形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀,数千个硅压力膜可以同时生产,实现了集成化的工厂加工模式,成本进一步降低。(4) 微机械加工阶段(1980 年- 今) :上世纪末出现的纳米技术,使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器,其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,使得压力传感器进入了微米阶段。 2 压力传感器国内外研究现状 传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中就有６项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中８项为无源传感器。。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速。目前，我国传感器行业规模较小，应用范围较窄。为此，我们亟须转变观念，将传感器的研发由单一型传感器的研发，转化为高度集成的新型传感器研发。新型传感器的开发和应用已成为现代系统的核心和关键，它将成为21世纪信息产业新的经济增长点。改革开放30年来，我国传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；在“九五”国家重科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，初步建立了敏感元件与传感器产业；2007年传感器业总产量达到20.93亿只，品种规格已有近6000种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定的应用。压力传感器的发展动向主要有以下几个方向： 2.1光纤压力传感器 这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光,再经光纤送入光探测器、
摘要 (4) 第1章绪论................................................................................................................................................ - 1 - 1.1 课题设计背景................................................................................................................................. - 1 - 1.2 传感器系统简介............................................................................................................................. - 1 - 1.3 本文内容提要................................................................................................................................. - 2 - 第2章调理电路硬件设计........................................................................................................................ - 2 - 2.1 传感器电路分析............................................................................................................................. - 2 - 2.2选用放大电路及其电路分析.......................................................................................................... - 3 - 2.3 AD转换电路的设计....................................................................................................................... - 4 - 2.3.1AD0804的外围接口的功能： ............................................................................................. - 4 - 2.3.3控制程序的设计：............................................................................................................. - 6 - 2.4 LCD显示电路的设计..................................................................................................................... - 8 - 2.4.1LCD的介绍........................................................................................................................... - 8 - 第3章控制程序的设计............................................................................................................................ - 15 - 3.1 程序要完成的任务....................................................................................................................... - 15 - 3.2 程序流程设计............................................................................................................................... - 16 - 第4章课题总结...................................................................................................................................... - 18 - 4.1 仪用放大电路............................................................................................................................... - 18 - 4.2单片机的使用................................................................................................................................ - 18 - 4.3 AD转换和LCD的控制 ............................................................................................................... - 18 - 在使用类似于AD转换芯片和LCD显示等数字集成芯片时，我们重点关注于其外围引脚的功能和控制时序图就可以了，通过外围引脚的功能来设计电路连接图，等外围电路连接好以后其实它的控制程序的大概框架就有了，再结合着时序图对各个引脚状态变化的先后顺序和各个状态的持续时间做一下处理，我们的控制程序基本上就可以出炉了。当然这时我们编写出的控制程序只是一个理论上的结果，最多有一个仿真结果。在实际调试时若出现了焊接失误或者是程序控制的问题时，我们最好任然秉持先前的网口概念。对整个电路和程序进行模块化处理，一个模块一个模块的检查处理。这样我们调试的效率就会提高很多。 .............................................................................. - 18 - 第5章结论.............................................................................................................................................. - 19 - 在课题选择之初，其目的是为了熟练掌握针对于压力测量电路的设计和应用，并分析在设计过程中对测量精度影响较大的部分。但是在设计过程中，这一目的被逐渐淡化，转而注重于各个模块的选择和设计。因为在设计的过程当中发现，我们对调理电路的设计所考虑的参数似乎和实际的物理量并没有太大的关系，若不考虑传感器与物理世界的交互方式的话，如文章开头所述：我们只要对电量进行操作就可以了。.............................................................................................................................................. - 19 - 致谢...................................................................................................................................................... - 19 - 参考文献...................................................................................................................................................... - 20 -
压力传感器及其应用电路 摘要：目前在工业生产中用得最广的压力传感器是硅压阻式压力传感器，它通过感触压力的 变化来改变其中的应变元件的电阻，从而输出相应的电压变化，实现将压力参数转变 成电信号参数。本文探讨了MPX2000系列压力传感器的应用电路以及MC33079型号运 算放大器在其中的应用的相关知识。 关键词：压力传感器；MPX2000；MC33079 引言 在工业测量中，压力的测量极为广泛，利用压力测量可以直接或间接测得很多物理参数，例如大型储液罐的液位、储气罐的压力、海洋的水深、山的高度，医疗方面可以测量血压、呼吸压等，航空方面测量飞机的飞行高度、飞行速度、升降速度以及气体管道流量等。但目前在实际中用得最多的是由膜片、波纹管、弹簧管和机械式传动、放大机构组成的指针式压力表。它的优点是结构简单、生产成本低，但测量精度低，如果要对压力参数进行遥测、记录或集中观察（监控）、自动调节或控制，则需要用到压力传感器，通过压力传感器将压力参数变成电信号输出。 一、硅压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片或硅杯上用扩散工艺、离子注入工艺或溅射工艺制成一定形状的应变元件，当压力传感器受到压力时，传感器中的应变元件的电阻 发生变化，从而输出相应的电压变化。很多压阻式压力传感器 是在硅膜片上制作四个等值电阻的应变元件，形成电桥。当受 到压力作用时，一对桥臂电阻变大△R ，而另一对桥臂电阻变小△R ，电桥失去平衡，这时便有一个与压力成正比的电压u o 输出，其工作原理如图(a)所示。 二、压力传感器的应用电路 典型的压力传感器应用电路如图(b)所示。它是一种适合于MPX2000系列的通用放大电路。MPX2000系列压力传感器是一种 带有温度补偿的压阻式压力传感器，其内部有温度补偿电阻网 络，并经激光校准，如图(c)所示。经过激光校准后，传感器的零输出、满量程输出及输出一致性、温度补偿特性等都达到较 好的性能指标。它的基本性能指标是：零位输出小于±1mV ，满 量程输出40mV ±1.5mV ，在0～＋85℃范围内有较好的温度补偿效果；线性度可达±0.1％FS ～±0.25％FS ；工作温度范围为－40℃～＋125℃,允许过载为400％（MPX2100）、200％（MPX2050）。（MPX2100与MPX2050的主要参数与极限参数详见附录一和附录二） 另外，在压力传感器的应用电路中，大多都采用仪用放大器电路结构。这是由于仪用放大器电路具有高输入阻抗的特点（传感信号两端均由同相端输入），两运放A1、A2的特性相同时，就可以很好地减小温漂，增强抗共模干扰的能力，且当改变增益时对放大器特性无影响。这种放大电路能测量小信号并具有较高的精度。 三、应用电路的分析 典型的压力传感器应用电路中，A 1、A 2构成同相比例运算电路，它们的同相端连接硅压阻式传感器的输出端，A 3组成一个差分比例运算电路，它将双端输入信号变为单端输出的输 R+△R R-△R R-△R R+△R u 0 I 0(a)
密级公开学号201340513215 衡水学院 毕业论文（设计） 基于压力传感器的气压检测仪 论文作者：韩承桓 指导教师：侯晓云 系别： ：物理与电子信息系 专业电子信息工程 年级： 2013级 提交日期： 2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日
毕业论文（设计）学术承诺 本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。 作者签名：日期： 毕业论文（设计）使用授权的说明 本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。 作者签名：指导教师签名： 日期：日期：
论文题目：基于压力传感器的气压检测仪 摘要：该设计是基于压力传感器的气压检测仪。设计要求在减少成本的同时，能最大程度的实现预期功能。硬件方面，选择使用相应的单片机、压力传感器、A/D转换器以及LCD1602；而在软件方面，用C语言编写源程序，利用相关软件编译，之后再将文件拷入芯片中。在保证其所测数据准确性的前提下，尽量简化设计过程，节约成本。 关键词：气压检测；压力传感器；单片机；A/D转换器；C语言编程 TITLE：PRESSURE DETECTION INSTRUMENT BASED ON PRESSURE SENSOR I
传感器 摘要：随着计算机技术的不断发展，信息处理技术也在不断发展完善。但作为提供信息的传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，而检测技术是人类认识世界和改造科技不可少的重要手段。基于上述因素，越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。突破是以测试技术的水平为基础的压阻型扩散硅压力传感器以其低价格得到广泛应用，基于单片机技术的智能压力传感器以其使用方便，测量精确而得以推广。压力传感器的核心是扩散硅电阻桥，智能压力传感器应用单片机技术采集数据、信号的处理并输出显示结果。扩散硅的压阻系数是温度的函数，所以存在灵敏度温漂，而影响温度的因素是多方面的：测量环境的变化，测量电路产生的热量的影响等等，所以要想得到比较精确的压力值，必须对压力传感器进行校正。压力传感器的零点存在热漂移、电漂移和时间漂移，减小压力传感器的热零点漂移的措施是各力敏电阻的电阻值及其温度系数的相等性。 关键字：光电效应光电元件光电特性传感器分类传感器应用
引言 传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位，是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，在国外各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高打捞技术之首，美国等西方国家也将传感器的基本知识列为国家科技和国防技术发展的重点内容。当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域都带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，是当今人类社会发展的强大动力。并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革。在军事国防、航空航天、海洋开发、生物工程、医疗保健、商检质检、环境保护、安全范围、家用电器等方面，几乎每一个现代化项目也都离不开传感器技。信息的采集是指从自然界中、以及生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过传感器技术实现的，因此传感器检测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。然而随着计算机技术的飞速发展，信息处理技术也在不断更新完善。但作为提供信息的元件传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，也直接影响到多种技术的进一步发展。基于上述因素，越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。 本设计研究的智能压力传感器，就是将压力传感器输出的电信号进行信息处理后将压力显示出来，并通过键盘控制使智能化更趋于完善。
MEMS压力传感器的应用 (姓名：XXX，学号：22013XXX) 摘要：MEM压力传感器在工业，医疗，汽车方面的应用。 关键词：集成电路、微机电加工、侵入式应用，汽车电子。 引言： MEMS是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，其研究开发主要集中在微传感器、微执行器和微系统三个方面，目前主导MEMS的市场的传感器已形成产业。用此技术研制的五花八门的微传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易生产、成本低的优势，可以测量各种物理量、化学量及生物量。接下来，我主要介绍一下其中的压力传感器。 压力传感器： MEM压力传感器的应用非常广泛。工业电子：工业配料称重、数字流量表以及数字压力表等等。消费电子：太阳能热水器用液位控制压力传感器、洗碗机、饮水机、洗衣机空调压力传感器，微波炉、健康秤以及血压计等等。汽车电子：柴油机的共轨压力传感器、汽车发动机的进气歧管压力传感器、汽车刹车系统的空气压力传感器以及发动机的机油压力传感器等等。我主要谈谈MEMS 压力传感器在汽车行业，医疗市场，工业领域这三个方面的应用。 应用于工业领域： MEMS压力传感器的主要应用包括采暖通风及空调（HV AC）、
水平面测量、各种工业过程与控制应用。例如，除了精确的高度气压测量，飞机使用传感器监测引擎、襟翼等其它部件。 应用于汽车行业： 在市场引导、科技推动、风险投资、政府介入等多重作用下，汽车MEMS传感器发展迅速，现已成为相关部门争先投资开发的热点。MEMS压力传感器在汽车中的一个新应用是传动系统压力感测，通常用于自动装置之中，但也用于新型双离合器传动系统。在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，技术上日趋成熟完善，可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，极大地推动了电子技术在汽车上的应用。例如德国厂商推出了一款MEMS解决方案，使用油来保护硅薄膜，使其可以最高耐受70巴的压力。博世几年前也曾为MEMS压力传感器带来巨大变化，当时使用的是多孔硅，带来了高度可靠的MEMS器件，这些器件已用于目前的侧面气囊等应用之中。 应用于医疗市场： 对于医疗应用来说，MEMS压力传感器技术需要生产精密低压力测量装置的专门技术，以便用于侵入式或非侵入式应用。用于侵入式应用的压力传感器，比如监测血压，是低成本的消耗品。 压力传感器用于测量生命征象。在这个领域，使用传感器的设备包括台式或中央监护仪，以及多参数监护设备。低端设备至少包括一种非侵入式压力传感器；中端设备包含一或两种设备；高端设备既有非侵入式压力传感器，也有侵入式压力传感器，以及额外的呼吸压力