压力传感器连接压力控制器

1.概述

微机电压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机电技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式的角度，微机电压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。目前，压阻式压力传感器的精度可达0.05％～0.01％，温度误差为0.0002％，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。

智能化的压力传感器能够将压力敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成。例如，单片集成智能压力传感器在一个SOI晶片上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、CMOS电路、电压电流调制模块、8位MCU内核、10位模／数转换 （A／D）器、8位数／模转换 （D／A）器，2K字节EPROM、128字节RAM，启动系统ROM和用于数据通信的外围电路接口。其输出特性可以由MCU的软件进行校准和补偿，在相当宽的温度范围内具有极高的精度和良好的线性。

MEMS压力传感器可以用类似集成电路 （IC）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的工作原理，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。

2.硅压阻式压力传感器

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。该类传感器的基本结构是由硅片腐蚀而成的膜片，厚10～25μm。膜片在压力作用下产生变形，变形的大小与压力对应。

压阻式传感器的基本公式为：

式中 R——电阻值，Ω；

ΔR——电阻值的变化量，Ω；

L——电阻长度，m；

ΔL——电阻长度的变化量，m；

ρ——电阻率，Ω·m；

Δρ——电阻率的变化量，Ω·m；

ν——泊松比。

硅压阻式压力传感器的敏感元件是杯状硅膜 （几十微米），称 “硅杯”。在硅膜片上用扩散掺杂法做成4个相等的P形硅压敏电阻，并用蒸镀法制成电极和电桥。被测压力使膜片变形并使电阻变化，由电桥的输出电压可推算出被测压力。图6－19是硅压阻式压力传感器的组成示意图。

压阻式微型压力传感器的优点是制作工艺简单，检测电路简单，应用最广泛。缺点是温度漂移大。

图6－19 硅压阻式压力传感器

3.硅压力电容传感器

硅压力电容传感器的敏感元件是电容压敏元件，核心部分是敏感电容器。其结构是在玻璃基底上镀一层金属铝 （Al）膜做电容器的一个极板，在硅 （Si）片上是电容器的另一个极板，硅膜厚几十微米。电容器的电容量由两个电容极板的面积和间距决定，极板间介质为空气。当硅膜片受压力变形时，电容器两块电极板之间的距离就发生变化，导致电容值变化。

下面是电容式传感器的基本公式。

两级间初始电容为：

受压时电容的变化与电极的位移关系为：

当Δd≪d时：

这种传感器的灵敏度和非线性误差分别为：

式中 ε——极板间介质的介电常数，F／m；

S——极板面积，m2。

实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一个硅膜上制作两个尺寸相同的圆形电容器，分别为受力电容和参考电容，参考电容不受外力作用，如图6－20所示。当硅膜片两侧有压差存在受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变化。压差与变形量呈线性关系。电容变化的检测可利用电容频率变换法或电容电压变换法等常规电容式传感器的检测方法进行，由电路测出电容值的变化，从而测出压力。

电容式微型压力传感器的优点是稳定性好、灵敏度高、适用温度范围广。缺点是对电路要求较高，一般需至少把前置放大电路与敏感元件集成于一体。

4.真空微电子微型压力传感器

真空微电子微型压力传感器利用场发射电流对电极间距离十分敏感的特性，实现高灵敏度的传感。

传感器由压力敏感膜作为阳极，场发射尖锥阵列作为阴极和真空微腔，如图6－21所示。其工作原理是：在电极间加电压，在阴极表面形成加速电场，导致阴极发射电流，当敏感膜受压变形时，电极间距变化，使阴极表面场强产生变化，发射电流随之变化。这种传感器的优点是灵敏度高、尺寸小，缺点是所需工作电压偏高。

图6－20 硅电容式压力传感器结构

图6－21 真空微电子微型压力传感器

5.应用

MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气管压力传感器 （TMAP）、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤、洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、空调压力传感器、饮水机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。图6－22为常用压力传感器产品。

图6－22 压力传感器产品