集成压力传感器

湘潭大学论文题目：集成压力传感器

学院：材料与光电物理学院专业：微电子

学号：2010700527 姓名：向俊霖

完成日期：2014年2月24日

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

引言 (1)

一、压力传感器的原理 (1)

二、压力传感器的特性以及参数 (2)

三、放大器的原理 (2)

四、集成压力传感器的发展趋势 (3)

五、集成压力传感器的应用 (4)

六、结语 (4)

参考文献 (5)

集成压力传感器

摘要：传感器一般是指具有电输出的装置，由于集成电路技术的发展人们已经研究开发了性能更好的传感器。从市场上来看，压力传感器将保持较大的需求量，本文将对集成压力传感器进行介绍并加以总结。

关键词：集成压力传感器

引言

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，集成压力传感器就是通过集成电路（IC）技术将压力传感器与后续的放大器等电路制作在半导体表面，使其变得测量精度高、使用方便。

一、压力传感器的原理

以压阻式压力传感器为例，如下图

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。

二、压力传感器的特性以及参数

1.额定压力范围

额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。

2.最大压力范围

最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2-3倍。

3.损坏压力

损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。

4.线性度

线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。

5.压力迟滞

在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。

6.温度范围

压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。

三、放大器的原理

由于传感器输出信号可能比较微弱，还需通过放大器将信号进一步放大。以应变式传感器为例，应变桥路可以采用直流电源或交流电源供电，对应信号放大方式可以采用之路放大或交流放大，如下图以直流电桥为例来分析应变桥路的工作原理

图差动仪表放大器

对于应用较多的直流电桥，多采用低漂移的集成运放（如OP07等）构成零点和增益可调的直流放大器，并通常采用差动输入方式进行直流电压放大。

四、集成压力传感器的发展趋势

传感器技术研究领域虽然十分广泛,但其发展方向可归纳为以下主要趋势: 1．小型化

小型化会带来更多的好处,重量轻、体积小、分辨率高,便于安装在很小的地方。对周围环境器件影响小,也利于微型仪器、仪表的配套使用。

2.集成化

可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术,把电路与传感器制作在一体。减少工艺流程以降低生产成本,而且不易损坏。

3.智能化

由于集成化的出现 ,在集成电路部分制作一些微处理机 ,使得其具有记忆、思维、处理、判断的能力。目前 ,智能化传感器产品发展最快,它将成为传感器市场的主流。

4.多功能化

对多种器件进行集成，使传感器的产品拥有多样的功能，能够适应更多的环境，满足更多的要求。

五、集成压力传感器的应用

集成压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，集成压力传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22％。在生物医学方面,集成压力传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。集成压力传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用集成压力传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，集成压力传感器的应用还将迅速发展。

六、结语

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要组成部分，随着电子设别水平不断提高以及功能不断加强，传感器也越来越显得重要，传感器技术已经成为高新技术竞争的核心技术之一。集成压力传感器是传感器中应用极为广泛的一种，随着微电子技术、微机械加工技术、纳米技术的迅速发展，集成压力传感器也将在现有基础