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mems压阻式传感器工作原理
Mems压阻式传感器是一种基于微机电系统(Microelectromechanical Systems, MEMS)技术制造的压力传感器，通过测量薄膜电阻的变化来检测压力的变化。
工作原理如下：
1. 薄膜制备：在压阻式传感器的芯片上制备一层薄膜，通常使用硅材料制成。
2. 压力感应：当外部施加压力到传感器上时，薄膜会发生变形，变形程度与压力的大小成正比。
3. 电阻变化：薄膜上有一系列的电阻，这些电阻会随着薄膜的变形而发生改变。
通常，薄膜上的电阻布局为一系列细长电阻条，形成一个电桥电路。
4. 电桥电路：电桥电路是由两个电阻共享电流的分压电路。
薄膜上的电阻条为电桥电路提供输入电阻。
当薄膜发生变形时，电桥的电阻比例会发生变化，从而改变了电桥的电压输出。
5. 信号处理：电桥的电压输出信号经过相关的放大和滤波电路进行处理，并转换成数字信号。
6. 压力测量：通过测量电桥输出信号的变化，可以判断外部压力的大小和变化。
Mems压阻式传感器因其小型化、高精度和低功耗等特点，在压力、重力、加速度等方面的测量中得到广泛应用。
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压力传感器是一种将压力转化为电阻变化的传感器。
它的原理是通过在压力敏
感器中引入一种敏感元件，使得该元件受到外界压力作用的同时，产生一定的电阻变化。
基于该原理，可以利用电路的测量手段来检测并量化外界的压力变化。
压阻式压力传感器对于检测压力变化的应用非常广泛。
例如在液压设备、空气压缩机、汽车发动机和气象设备等领域都有着大量的应用。
压阻式压力传感器的敏感元件通常采用金属或半导体材料。
当外界施加压力时，这些
材料中的电子受到了外界力的牵引，电子与其周围原子发生了位移，从而导致元件内部的
电阻值发生变化。
因此，可以通过测量电阻值的变化来确定外界压力的大小。
利用上述原理，可以设计出各种不同类型的压阻式压力传感器。
例如，利用半导体材
料的薄膜式压力传感器，由于其结构简单、价格便宜、响应速度快等优点，成为了广泛应
用的一种传感器。
此外，压阻式压力传感器还可以根据其输出信号类型分为模拟输出和数字输出。
模拟
输出的压力传感器根据压力变化输出一个模拟电压，这个电压值与压力大小成一定比例关系。
而数字输出的压力传感器则是将变化后的电阻值转化为数字信号输出。
总的来说，压阻式压力传感器是现代工业自动化、环保、气象、医疗等领域不可缺少
的传感器之一。
它可以将外界的压力变化转化为电信号输出，便于不同领域进行数据采集、检测和控制。
压阻式压力传感器1. 引言压阻式压力传感器是一种用于测量压力的传感器。
该传感器的工作原理是通过应变电阻的变化来检测受力物体的压力。
它广泛应用于工业控制、汽车制造等许多领域。
本文将介绍压阻式压力传感器的工作原理、特点以及应用。
2. 工作原理压阻式压力传感器的工作原理基于应变电阻效应。
当传感器受到压力作用时，传感器内的金属薄片或薄膜会发生形变，导致金属材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，我们可以得知受力物体的压力大小。
通常，压阻式压力传感器由两个电极之间夹着一层薄膜或薄片构成。
当压力作用在传感器上时，薄膜或薄片会发生拉伸或压缩，从而改变电流的通道，使电阻值发生变化。
这种变化可以被测量电路检测到并转换为相应的电压或电流信号。
3. 特点压阻式压力传感器具有以下特点：•灵敏度高：由于应变电阻效应是线性的，压阻式压力传感器在测量范围内具有较高的灵敏度。
•稳定性好：传感器内部的金属材料通常经过特殊处理，以增加其稳定性和可靠性。
•宽测量范围：压阻式压力传感器可以适应广泛的测量范围，从几千帕到几百兆帕不等。
•耐用性强：传感器通常采用金属或陶瓷材料制成，具有较好的耐用性。
4. 应用压阻式压力传感器在许多领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：4.1 工业控制压阻式压力传感器可用于测量流体压力，如液体或气体。
在工业控制中，压力传感器常被用于监测管道或容器中的压力变化，以确保系统正常运行。
4.2 汽车制造压阻式压力传感器在汽车制造中起着重要作用。
它们可用于测量发动机燃油压力、轮胎气压等数据，以确保汽车的安全性和性能。
4.3 医疗设备压阻式压力传感器在医疗设备中也有应用。
例如，它们可用于测量患者的血压、呼吸气道压力等数据，以协助医生进行诊断和治疗。
4.4 环境监测压阻式压力传感器可用于环境监测，如大气压力、海洋水深等数据的测量。
这些数据对于气象研究、海洋科学等领域非常重要。
5. 总结压阻式压力传感器是一种用于测量压力的重要传感器。
总结压阻式压力传感器的一般检测方法压阻式压力传感器是一种常用的测量压力的传感器，其原理是基于材料的压阻效应。
为了确保传感器的准确性和稳定性，需要进行一般的检测方法。
以下是总结的一般检测方法：1. 外观检查：首先，对压力传感器进行外观检查，包括检查传感器外壳是否完整、有无损坏，是否有明显的划痕或变形等。
确保传感器外观正常可靠。
2. 线路连接检查：检查传感器的电气连接，包括检查传感器与接收器之间的线路连接是否正确牢固，检查所有电连接器是否无松动或断裂。
确保传感器与电路之间的连接良好。
3. 零点检测：通过此检测方法，测量压力传感器在无压力状态下的输出信号。
将传感器暴露在零压条件下，记录输出信号。
正常情况下，压力传感器在无力作用时应输出稳定的零信号。
4. 线性度检测：线性度是指压力传感器输出与输入压力之间的直线关系。
可通过在一定范围内施加等间隔的压力，记录传感器的输出信号。
然后，根据斜率和截距计算其线性关系。
理想情况下，传感器应该有良好的线性关系。
5. 灵敏度检测：灵敏度是指压力传感器输出信号与输入压力变化之间的关系。
可以通过在不同压力范围内改变输入压力，并记录传感器的输出信号，计算出输出信号相对于输入信号的变化量。
传感器的灵敏度应保持稳定并与规格相符。
6. 温度特性检测：压力传感器的温度特性直接影响其测量的准确性。
进行温度特性检测时，将传感器暴露在不同的温度环境下，并记录传感器的输出信号。
比较传感器在不同温度下的输出，确保传感器对温度的响应在规格范围内。
总之，以上是总结的压阻式压力传感器的一般检测方法，通过这些方法可以确保传感器的质量和性能符合要求，提供可靠准确的压力测量结果。
MEMS压阻式传感器产品结构
MEMS压阻式传感器是一种基于微电子机械系统（MEMS）技术的压力传感器，其结构通常由以下几个部分组成：
1. 压力敏感元件：MEMS压阻式传感器的核心部分是一个薄膜压力敏感元件，通常由硅或其他MEMS材料制成。
这个元件通常是一个圆形或方形的薄片，其表面被刻有许多微小的电极，这些电极可以感应到施加在元件上的压力，从而改变元件的电阻值。
2. 信号处理电路：MEMS压阻式传感器需要将压力信号转换成电信号输出，因此需要信号处理电路来将压力信号转换为电压信号。
这个电路通常包括一个放大器、一个模数转换器（ADC）等组件。
3. 封装结构：MEMS压阻式传感器需要被封装起来以保护其内部结构不受外界干扰。
常见的封装结构包括气密性良好的柔性封装、刚性封装等。
4. 接口引脚：MEMS压阻式传感器需要与外部电路相连接，因此需要一些接口引脚来传递信号和电源等信息。
总体来说，MEMS压阻式传感器具有体积小、重量轻、响应速度快、成本低等优点，被广泛应用于汽车、医疗、工业自动化等领域。
压阻压力传感器的主要特点
压阻式压力传感器是一种常见的传感器类型之一，其基本原理是通过检测压力
对薄膜或陶瓷材料的变形程度而测量所感知的压力大小。
压阻压力传感器具有以下几个主要特点：
高精度
压阻压力传感器通常具有高精度的特点，它们可以测量非常微小的压力变化，
例如，小于1kPa的压力变化。
范围广
压阻压力传感器可以应用于各种应用场景，例如，军事、医疗、工业、航空、
汽车等领域。
反应迅速
压阻压力传感器具有非常快速的响应速度，可以对瞬态压力进行准确和及时的
检测。
易于安装
压阻压力传感器的机械结构通常相对简单，安装和维护比其他类型的压力传感
器更加容易。
成本低廉
相对于其他类型的压力传感器，压阻压力传感器通常具有较低的成本，这使得
其在大规模应用中越发具有优势。
耐用性好
压阻压力传感器通常具有较好的耐用性，能够在恶劣的环境条件下长期稳定地
工作。
总之，压阻压力传感器是一种非常实用的压力传感器类型，具有高精度、范围广、反应迅速、易于安装、成本低廉、耐用性好等多种优点。
随着科技的不断进步，它们在工业、军事、医疗、航空、汽车等领域的应用将会越来越广泛，成为现代化工业的不可或缺的重要组成部分。
mems压阻式压力传感器的应用实例压阻式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它利用受压导电材料的电阻值随受压程度的变化而发生变化的原理进行压力传感。
下面将介绍几个压阻式压力传感器的应用实例。
1.汽车行业压阻式压力传感器在汽车行业得到广泛应用。
例如，在汽车的发动机控制系统中，压阻式压力传感器可以用于测量燃料压力、废气压力等参数，以便发动机控制单元能够准确控制燃料喷射和排放系统。
此外，压阻式压力传感器还可用于测量轮胎压力，实现胎压监测功能，并提醒驾驶员及时进行充气。
2.工业自动化压阻式压力传感器在工业自动化领域也有广泛应用。
例如，在液压系统中，压阻式压力传感器可以测量液体的压力，为系统提供实时的压力信息，以确保系统的稳定运行。
此外，在气压系统中，压阻式压力传感器可以实现对气体流量、压力的精确测量，并为系统的控制提供必要的数据支持。
3.医疗设备压阻式压力传感器在医疗设备中的应用也非常广泛。
例如，在呼吸机和血压监测设备中，压阻式压力传感器可以测量呼吸气流和血压的变化，以帮助医生对患者的呼吸和心血管状况进行监测和诊断。
此外，压阻式压力传感器还可用于测量人体接触物体的力度，如人体姿势检测、床垫压力监测等。
4.石油与天然气工业压阻式压力传感器在石油与天然气工业中的应用非常重要。
例如，在油井探测设备中，压阻式压力传感器可测量井口的压力，为石油开发提供必要的数据支持。
此外，在管道运输系统中，压阻式压力传感器可用于测量管道的压力和流量，以确保管道的安全运行。
5.空调与制冷设备压阻式压力传感器在空调与制冷设备中也有广泛应用。
例如，在冷冻空调系统中，压阻式压力传感器可以测量制冷剂的压力和温度，以保证系统的高效运行。
此外，在家用空调中，压阻式压力传感器还可用于测量空气流量和空气质量，提供舒适的室内环境。
综上所述，压阻式压力传感器在各个领域的应用非常广泛。
通过测量压力变化，它可以帮助实现对各种参数的准确测量和控制，为相关行业的设备和系统提供数据支持，提高生产效率和产品质量。
压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器是一种常见的传感器，它能够将机械压力转换
成电信号，并输出到载波、微处理器等电子设备中。
压阻式压力传感器的工作原理是：通过机械受力，将受力区域内
的电阻片加以拉伸或压缩，使电阻片的电阻发生变化，电阻的变化大
小与机械压力的大小成正比。
这个原理又被称为压阻效应。
压阻式压力传感器可以分为：薄膜式压力传感器、箔片式压力传
感器和微应变片式压力传感器。
薄膜式压力传感器是将压力感受器下面的薄膜受力区域做成一个
电阻器，当薄膜受到压力时，在电极之间会产生电压信号，这个电压
信号随着压力变化而变化。
这样的传感器结构简单，易于制造。
箔片式压力传感器是将薄膜变成箔式，其受力特性更好，更灵敏，输出稳定。
微应变片式压力传感器也是一种常见的压力传感器，与薄膜式压
力传感器类似，同样将感受器下面的微应变片或桥式微应变传感器成
一个电阻器，当感受器下面的微应变片受到压力时，所产生的应变同样会造成其电阻值的变化，进而产生电压信号，从而实现输出压力信号的目的。
除了压阻式压力传感器以外，流式传感器，如流量传感器、液位传感器，温度传感器，光电传感器等等都是常见的传感器，而他们的工作原理都各有不同。
在生产和实际使用中，根据场合和需要选择适合的传感器，可以更好地胜任各类测量需求。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(基金编号:50375154)收稿日期:2005-10-28 收修改稿日期:2006-02-09一种压阻式微压力传感器李伟东,吴学忠,李圣怡(国防科技大学 机电工程与自动化学院,湖南 长沙 410073) 摘要:微压力传感器是微机电领域最早开始研究并且实用化的微器件之一,它结构简单、用途广。
基于压阻效应、惠斯顿电桥等相关知识设计了一种压阻式微压力传感器。
为增大灵敏度,设计了一种折弯形的压敏电阻。
基于一些相关的微加工工艺制定了制作这种微传感器的工艺流程并且制作成功了传感芯片。
设计了一个处理电路去获得此传感器的输出信号,它由两级放大电路和两级巴特沃斯低通滤波电路组成。
最后利用这个测试系统检测出了随压力变化而发生变化的微电压信号。
关键词:微机电系统;压阻式;微传感器;测试系统中图分类号:TH7;TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)07-0001-02Micro Piezoresistive Pressure SensorLI Wei 2dong ,W U Xue 2zhong ,LI Sheng 2yi(I nstitute of Mach atronics and Autom atization ,N ational U niversity of Defence T echology ,Ch angsh a 410073,China)Abstract :Micro pressure sens or is simple but widely used ,and it is studied and industrialized very early.A piezoresistive microp ressure sens or was designed ,here Piezoresistive effect and Wheatstone bridge are utilized.The snake sensitive resistance is sensitiver to pressure.Based on s ome related micro machining processes ,a process flow is planed to fabricate make the piezoresistive sens or chip suc 2cess fully.In order to get output signal ,a circuit was designed ,which is made up of by with tw o cascaded amplifiers and tw o cascaded But 2terw orth low pass filters.The varying v oltage was tested by the system as the pressure was changed.Experiment data are obtained ,which als o prove the feasibility of the design and the process flow.K ey w ords :micro electro mechanical system (ME MS );piezoresistive effect ;micro sens or ;testing system 0 引 言微机电系统(ME MS )是在微电子相关技术基础上发展起来的一门多学科交叉前沿学科,它采用半导体工艺技术,把微机械结构和电路集成在一起,具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点。
微传感器是最早开始研制的微机电器件,也是微机电技术中相对最成熟、最早开始产业化的产品。
微压力传感器在整个ME MS 行业,无论是设计研究,还是产业应用中都占主要地位。
就其传感原理来说,微压阻式、微电容式、微谐振式是当今微压力传感器的3种最常见的形式。
其中,微压阻式结构最简单,制作工艺及步骤也最容易,缺点是其相关性能不如其他两种好[4]。
1 微压阻式压力传感器的设计及制作111 敏感及检测原理对于金属或半导体材料,若沿它的某一晶面加以压力或拉力时,其晶格内部将产生畸变,这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化,进一步导致载流子相对能量的改变,从而引起晶体固有电阻率的变化。
这种现象就是物理学上的压阻效应。
由于导电体的电阻为R =ρls,根据相关物理学和材料力学知识可以得出:由材料几何形状变化引起的电阻相对变化可以忽略不计,所以金属或半导体材料由于其电阻率的变化而导致的电阻相对变化为ΔRR=π1σl +πt σt (1)式中:σl 为纵向应力;σt 为横向应力,πl 为纵向压阻系数,πt 为横向压阻系数。
电阻系数π是与不同的晶向有关的,例如沿〈110〉晶向的压阻系数存在下列关系:πl =π11+π12+π442≈π442πt =π11+π12-π442≈-π442(2)式(1)所示即是压阻效应的数学表达式。
可见,若能将在应力下变形从而导致的电阻变化ΔR 检测出来,并且将其与外作用力对应起来,便从原理上满足了传感器的要求。
一般来说,电阻的变化量是不便于直接检测的。
因此需将其转换为方便检测的电压或电流的变化。
如图1所示是在电学中广泛应用于提取电压或电流变化量的惠斯顿电桥。
它的原理是:R 1,R 2是两个外接电阻,Rref 是和敏感电阻R sensor 相匹配的一参考电阻。
在A 、B 两点施加电压V i (也可以是电流I i ),当4个电阻完全匹配时即有R 1×R ref =R 2×R sensor 成立时,电路的输出电压V o (也可以是电流I o )就为零。
若敏感电阻R sensor 有一微小变化ΔR ,电桥就会失去平衡,表现为其输出电压(或电流)发生变化,其值由下式计算[2]:V o =R 1・R sensor -R 2・R ref (R 2+R sensor )(R 1+R ref )・V i (3) 2006年 第7期仪表技术与传感器Instrument T echnique and Sens or 2006 N o 17 通过惠斯顿电桥,将电阻的变化转换为电压的变化,这就是此种传感器的检测原理。
112 芯片结构设计一般来说,微小电阻是不方便直接受压变形的。
因此考虑将满足压阻效应的压敏电阻制作在一弹性硅薄膜上,此种弹性薄膜须满足力学上的大(小)挠度理论(由于其讨论较为复杂不予介绍)。
力学知识表明:对于圆形薄膜,要保证硅膜片的应力与外加压力有良好的线性度,应满足如下关系式:rh≤43σeP(4)式中:σe 为硅的弹性极限;P 为外加压力;h 是弹性膜的膜厚;r 为圆形膜的半径。
同时,由力学相关知识分析具有以下经验即:应变电阻应配置在薄膜片表面边缘中点处,这时能获得较高灵敏度。
为了受应力时电阻变化量更大从而充分地增大其灵敏度,将电阻做成如图2所示的折弯形电阻。
它的阻值由式(5)计算(n 为折弯数)。
图1 惠斯顿电桥图2 折弯形电阻l =2(a -g )+(2n -2)(a -2g )+2(2n -1)g =2na (5)综合整个设计过程,可得出如图3所示的一完整传感芯片。
图3 硅压阻芯片图113 制作工艺流程因为拟采用湿法腐蚀形成硅腔,同时为了增加敏感薄膜的弹性,所以必须先在N 型硅片上利用热氧化双面生长一层S iO 2。
接着在S iO2面上利用射频磁控溅射单面溅射一薄C r 膜(厚度约为1μm ),C r 是用来制作压敏电阻的。
通过双面光刻将C r 电阻的形状及待腐蚀S i 腔形状成型后,先用ICP 将背面光刻后露出的S iO 2层打掉至出现S i 以进行下步湿法腐蚀,再用ICP将折弯形电阻刻蚀出来。
然后即可用缓冲T M AH 溶液腐蚀S i 腔形成敏感薄膜(留有一定厚度的S i 层,因此敏感膜实际上是分S i 层和S iO 2层)。
至此,传感芯片做成,可进行后面的引线及信号获取。
整个工艺流程见图4。
图5是引好线的硅压阻芯片实物,左边有电阻的是正面,右边为其背面硅腔。
2 测试系统及测试结果211 测试系统搭建图5 制作的硅压阻芯片实物图 由于传感器输出的信号一般在μV 至mV 级甚至nV 级之间,属于微弱信号。
因此,要将压敏信号提取出来就必须有放大电路,而且前置放大电路的电压增益要求高,同时由于传感器敏感电路有较大的噪声,又受工频电和电磁耦合等共模干扰等。
当将敏感电压放大时,各种噪声也不可避免地一同被放大。
所以,必须要对放大电路输出的信号进行滤波。
第一级差分放大电路的放大倍数若太大,传感器信号就容易失真,因此考虑在一级放大电路之后再加一级放大电路[3]。
一级放大电路的集成运算放大器采用I NA121型仪用放大器,其放大倍数为K 1=(1+50kΩR G)(6)二级放大器的放大倍数可调,其值为:K 2=-R 22R 11(7)图5是测试处理电路图,图6(a )是一级放大电路图,图6(b )中的后面部分是一种低通滤波电路,电阻R x 2和电容C x 2构成两个反馈支路,其反馈的强弱均与信号的频率有关,图中的运放可看作无限增益(即理想运放)的放大环节,因此被称为无限增益多路反馈滤波电路。
这种电路的优点是电路不会因为通带电压放大倍数(绝对值)过大而产生自激振荡,所以性能很稳定[1]。
放大倍数和通带截止频率分别见式(8)、式(9)。
A up =-R x 2R x 1(8)f 0=12πC x 1C x 2R x 2R x 3(9)212 简单测试结果取R G 为500Ω,则由式(6)计算得初级仪用放大倍数为 (下转第5页) 2 Instrument T echnique and Sens orJul 12006 为平滑,并且曲线中加压、减压的压力正反行程曲线重合得很好,几乎分辨不出加压、减压曲线印迹,迟滞误差小于013%。
因为陶瓷弹性膜片具有零力学滞后、高弹性、蠕变和迟滞小的特点,兼有较高的热导率和电绝缘强度,再加上高检测灵敏度的信号调理电路和二次线性补偿电路,使传感器具有很好的线性补偿、零点调节和满量程调节功能。
温度测试结果表明,传感器零点输出电压—温度曲线斜率很小平滑,电容温度系数(T CC)为97×10-6/℃.温度主要影响感压元件的几何尺寸,温度变化使电容极板间的间隙或极板面积发生变化。
由于两极板间的间隙非常小,只要很小的间隙变化就会引起很大的温度误差,由于本传感器结构上采用了双电容的感压元件,测试电容和参考电容性质完全相同且置于同一温度场中,当测量环境温度变化时,C r和C p产生的容值变化在同一量级且近乎相等,虽然单电容电容温度系数T CC有210×10-6左右,但以差值信号作为输出,温度影响大致可以相互抵消,具有较好的温度自补偿能力。
