4.3 硅压阻式微型压力传感器
硅压阻式压力传感器工作原理
硅压阻式压力传感器工作原理1. 硅压阻式压力传感器概述嘿，朋友们，今天我们来聊聊硅压阻式压力传感器。
听起来有点复杂，对吧？其实说白了，就是一种用来测量压力的设备，特别适合在一些要求高精度的场合，比如汽车、飞机甚至医疗设备上。
你可能会想，压力测量有什么了不起的？其实，压力测量就像我们生活中的调味料，少了它可不行！想想，如果没有压力传感器，我们的汽车可能就像个没头苍蝇，乱窜乱撞，根本无法安全驾驶。
这玩意儿的工作原理其实也很简单，就像你在吹气球时，气球里的气压会让它鼓起来。
硅压阻式传感器就利用这种原理来检测压力变化。
它的核心材料是硅，而硅呢，又是我们这个科技时代的宠儿，无处不在。
从手机芯片到太阳能电池板，它都在默默奉献。
1.1 硅的神奇之处说到硅，它真是个神奇的东西。
硅在常温下是个很稳定的元素，这让它在各类传感器中广受欢迎。
我们常常提到的“硅谷”，其实就是因为这里聚集了很多用硅做的高科技公司。
再说了，硅的导电性也特别好，能够帮助我们轻松地转换压力信号。
这就像我们平时听音乐，耳机里发出的声音其实就是电信号的变化，硅传感器也是这个道理。
1.2 工作原理那么，这个传感器到底是怎么工作的呢？当压力作用在传感器的膜片上时，膜片会发生形变。
想象一下，像你踩在沙滩上，沙子会凹下去。
这时，传感器内部的硅元件就会感受到这种形变。
硅元件内的电阻会因为形变而发生变化。
这个变化就好比我们心情的起伏，压力大了，电阻就变小了；压力小了，电阻就变大了。
接下来，变化的电阻会被转换成电压信号，然后再通过电路输出。
就像你用手机拍照，光线通过镜头后变成了电子信号，最后展现在屏幕上。
通过这种方式，我们就能实时监测压力的变化，确保一切正常。
2. 硅压阻式传感器的应用当然，硅压阻式压力传感器可不是只能用在一个地方。
它的应用范围可广泛得很，简直是无所不能。
比如在汽车上，压力传感器能帮助我们监测轮胎压力，确保安全行驶。
谁要是开着轮胎瘪了的车，那可真是开车去约会，结果一路上都是惊心动魄的体验。
一种硅微压阻式压力传感器的研究
ｍ ｍ ｌ ａｉ ｅｐｅｏｅｉｏ ｅ ｒ ｉｅ ｍ ｒ ｅｔｅｓｎｉｖｔ Ｆ ｒ ｅｍ ｒ，ｈ ｔ ｓ ｄｓ ｉｕ ｕ ，ｏ ｔ ｎｏ ｔ ｉ ｒ ｓ ｒｉ ｄ ｔ ｍ ｎ ｄｔ ｉｐ ｏ ｈ ｅ ｓ ｉ ｙ ｕｔ ｒ ｏｅ ｔｅｓ ｅｓ ｉｒ — ｃ ｏ ｆｈ ｚ ｓｔ ｓ ｅ ｏ ｖ ｔｉ． ｈ ｒ ｔｂ ｔ ｎｉ ｓ ｌｔｄｆｒ ｉｅｅ ｔ ｒｓｕｅｔ ｏ ｔ ｎｒｌ ｉｎｓｈ ｍｅｂ ｔｅ ｎｉ ｕ ｄｏｔｕ ａｕ ｎ ｅｋ ｉ ｉ ａｅ ｆ ｒｎ ｅｓ ｒ ｏ ｂａ ｅ ｏ ｃｅ ｅｗ ｅ ｐ ｔ ｕ ｔ ｌｅａｄｐ ａ ｏ ｓ ｍｕ ｏｄ ｐ ｉ ａ ｔ ｎ ａ ｎ ｐ ｖ ｓ ｅｓ ｈｓｓ ｄ ｐ ｏｉｅ ｆ ｒｎ ｅ ｏ ｅｉ ｎ ｔ ｚ ｉ ｔｅ ｃｏ ｒｓｕｅ ｅ ｓｒ ｔ ｓ． ｉ ｔ ｙ ｒｖｄ ｓ ｒ ｅｅ ｃ ｆ ｒ ｓ ｎａ ｄｏ ｉ ａ ｏ ｏ ｈ ｒ ｐｅｓｒ ｓｎｏ． ｒ Ｔ ｕ ａｅ ｄ ｇ ｐ ｍｉ ｎｆ ｔ ｍｉ
算， 确定 了压敏 电 阻最佳放置位 置， 高灵敏度 ； 各个不 同的压 力下仿 真 出应力分布 图、 出输 入一 来提 并在 得
输 出关系图及应力峰值。研究为压阻式微压力传感器的结构以及优化、 稳健设计提供 了 一定参考。 关 键词 ： 压力传 感器 ； 敏 电阻 ； 微 压 弹性膜 片 ； 真 仿 【 ｂｔａｔ ｈ ｒ ｓｒ ｓｎｏ ｏ ｉ ｏ ｐｅｏｉｉ ｉ ０Ｐ ｌ ｓ ｌ ｓａ ｎ ｙ ｄａｄ Ａ ｓ ｃ］Ｔｅｐｅ ｕｅ ｅｓｒ ｆ ｍｃ ｉ ｓ ｔｅｗｔ ２ｋ ａ ｕ ｃ ｅ ｐ ｎｉ ａａ ｚ ， ｒ ｓ ｒ ｚ ｓｖ ｈ ｆ ｌ ａ ｓ ｌ ｅ ｎ
第 １ 期 ２１ ０ ２年 １ 月
文 章 编 号 ：０ １ ３９ （ ０ ２ ０ — １３ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）１ ０ ０ — ３
压阻式压力传感器
掩膜版
步骤四：标准淡硼预扩散或离子注入，在经过标准再分布或退火 形成方块电阻率在80-250W可控的压阻，结深1-3微米。
• 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终不变。
• 有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先淀积一层杂质，在 整个扩散过程中以这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源 补充。
1 硅片的清洗处理
2涂胶：涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
3 前烘：经过甩胶之后的光刻胶虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但含有10%~ 30%的溶剂，容易沾染灰尘。通过在较高温度下进行烘焙，使溶剂从光刻胶中挥发出来。 4 对准与曝光：曝光的光源为紫外光的汞灯，形成平行光束垂直照射到硅片上。受到光照 的光刻胶发生光化学反应，其内部分子结构发生变化。 5 显影：把曝光后的基片放在显影液里，将应除去的光刻胶膜溶除干净，以获得所需要 光刻胶的图形。
2）湿氧氧化：氧气通过盛有950C高纯去离子水的石英瓶后携带水汽到硅片 表面发生氧化反应： Si+O2SiO2 Si+2H2OSiO2+2H2 优点：生长速率较快；缺点：与光刻胶粘附性不好。
（3）氢氧合成氧化：在常压下分别是将纯H2 和纯氧直接通入石英管内，使之在一定温度燃 烧生成水，水在高温下氧化后与硅反应生成 SiO2，生长速度比湿氧快，膜质量好、纯度高。
• 两步扩散：实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，在
这样的温度范围内，常用杂质，如硼、砷等在硅中的固溶度
随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低表面
浓度的杂质分布形式。实际生产中将扩散过程分为两步完成。
其中第一步称为预扩散或者预淀积，第二步称为主扩散或再
SOI硅压阻式压力传感器
SOI硅压阻式压力传感器一、项目概述硅压阻式压力传感器在民用及国防中得到了广泛的应用，国内已有专门从事压力传感器生产的企业，创造出了突出的业绩。
在传感器的性能及价格方面，目前国内能够生产的压力传感器主要属低端和中端产品，生产数量很多，经济效益不明显。
经过近十年的研究，现已突破了高端产品的技术瓶颈，研制出了高性能的压力传感器。
该传感器采用压阻式工作原理，用SOI材料制作压力敏感元件，采用半导体平面工艺制作芯片，然后对敏感元件进行微加工技术与封装，制作出压力传感器。
该传感器具有高精度、高稳定、耐高温、耐恶劣等特点，产品性能及可靠性均可达到了国外同类产品水平。
二、应用范围（1）在汽车领域，该传感器技术可直接用于生产汽车进气歧管压力传感器，替代进口压力传感器芯片；还可用做汽车ESP系统及刹车系统的油压传感器，解决目前普遍采用充油压力芯体在动态油压作用下引线断裂问题；（2）在气象领域，该传感器可直接由于探空仪中，用于测量大气高度，提高探测精度；（3）在工业领域，该传感器可用于OEM充油压力传感器的生产，替代现有的压力传感器封装芯，使传感器的稳定性及可靠性得到明显提升；（4）在石油测井方面，可以替代现有的进口高温压力传感器，满足井下高温、高精度、耐腐蚀的要求。
三、技术优势SOI硅压阻式压力传感器的敏感元件采用介质隔离，没有PN结，克服了PN 结随着温度升高，漏电流增大，性能变差甚至失效的问题，具有突出的耐高温能力和稳定性。
通过多年的研究，现已掌握了高精度、高稳定、耐高温的压力敏感元件设计与制作关键技术，形成了一套完整的加工工艺；在传感器的封装上，取得了重大突破，解决了10MPa一下的绝压、表压传感器的隔离封装问题，实现了无油介质隔离封装，这种封装方式可以解决压力传感器的低成本、高性能要求，同时能够满足频繁脉动压力变化的长期测量需要，制作的传感器能够满足汽车刹车系统和ESP系统的高可靠要求。
根据工业领域的高精度、高可靠、低漂移的要求，在芯片设计、芯片封装结构设计、芯片与传感器基座的封装工艺上都进行了专门研究，研制的压力传感器芯体能够满足目前国内工业用压力变送器充油芯体的制作要求，性能能够得到明显改善。
硅基压阻式压力传感器工作原理
硅基压阻式压力传感器工作原理硅基压阻式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它利用薄膜材料的机械变形特性，将外界施加的压力转化为电信号输出。
本文将详细介绍硅基压阻式压力传感器的工作原理以及其应用领域。
一、硅基压阻式压力传感器的结构与组成硅基压阻式压力传感器由四个主要部分组成：薄膜材料、传感电路、导线和封装壳体。
1. 薄膜材料硅基压阻式压力传感器的核心元件是由硅薄膜组成的压敏电阻器。
薄膜的制备通常采用微电子加工技术，将高纯度的硅片通过化学腐蚀等方法，制作成微米级厚度的薄膜。
2. 传感电路传感电路是将薄膜材料的电阻变化转化为电信号的重要组成部分。
传感电路通常由电桥电路构成，其中包括一个或多个传感电阻和补偿电阻。
3. 导线导线将传感电路连接至外部的电子设备，将传感器的输出信号传递出去。
4. 封装壳体封装壳体是为了保护传感器内部的组件，并提高传感器的可靠性和耐用性。
封装壳体通常由金属或塑料材料制成。
二、硅基压阻式压力传感器的工作原理1. 压力作用下的薄膜变形当外界施加压力作用于硅基压阻式压力传感器时，薄膜材料会发生一定程度的弯曲变形。
这是因为薄膜具有压电效应，当压力施加在薄膜上时，薄膜的形状会发生变化。
2. 电阻的变化薄膜材料的形变会导致材料内部的电阻发生变化。
通常情况下，当薄膜材料被压缩时，电阻值会有所增加；当薄膜材料被拉伸时，电阻值会有所减小。
3. 传感电路的作用传感电路通过连接在传感器上的电桥电路，对电阻值的变化进行检测和测量。
电桥电路通常由一个或多个传感电阻和补偿电阻组成。
当压力作用下，薄膜材料产生形变，导致传感电阻值的变化，进而引起电桥电路失衡。
传感电路通过检测电桥电路失衡的大小，将失衡量转化为电压或电流信号输出。
4. 输出信号的转化传感器的输出信号可以是电压信号或电流信号，其数值与受测压力成正比。
通过对输出信号的测量和计算，可以得到被测压力的实际值。
三、硅基压阻式压力传感器的应用领域硅基压阻式压力传感器具有结构简单、精度高、响应速度快、线性度好等特点，广泛应用于各个领域的压力测量和控制中。
硅压阻力敏传感器原理
硅压阻力敏传感器原理
硅压阻力敏传感器，因其准确度高、反应迅速、耐热性强而得到许多工业应用。
它主要应用于气体压力测量、液体静压测量、空气流量测量、气象计测量和负压测量等。
该装置采用经过特殊处理的芯片，根据磁性原理，在磁场中才能发挥最大作用，所以又称磁性传感器。
硅压阻力敏传感器的部件简单，造型紧凑，反应迅速，重复性能好，结构简单，耐振动、耐压等性能均为很好，它的准确度在上限压力和负压范围内可达±0.5% FS。
此外，硅压阻力敏传感器还具有耐腐蚀、耐摩擦性能强，溶解度低，湿热性好，抗干扰能力强，低温避免等特征，具有良好的可靠性和稳定性。
此外，硅压阻力敏传感器还具有可配置性强的特点。
可配置的参数有出厂时的
满量程范围、应变率参数、偏置参数、单位参数等，根据项目的具体要求定制参数以满足不同的应用场景。
从上面可以看出，硅压阻力敏传感器是一种压力测试元件，它的优势在于准确
度高、反应迅速、耐热性强、耐摩擦、低温避免等，可以将其用于行程测量、称重测量、气体压力测量、液体静压测量、空气流量测量和负压测量等多种应用场景中。
压阻式微压力传感器结构参数设计
压阻式微压力传感器结构参数设计王峰;谭晓兰;张敏亮【摘要】Based on the structural parameters of the piezoresistive micro pressure sensor, according to the sensitivity and linearity of the sensor, the micro pressure sensor with 200 kPa range is designed. Under the condition of meeting the calculating requirements, each parameter is simulated by ANSYS, and the optimum values of these parameters are selected in accordance with the sensitivity, linearity and the degree of difficulty for fabricating process. The results of the simulation show that the design method possesses a certain reference value for researching and manufacturing micro pressure sensors.%在研究压阻式微压力传感器的结构参数的基础上,根据传感器的灵敏度与线性度特点,设计了一种量程为200 kPa的微压力传感器.在满足计算要求的条件下,对该传感器的每一个参数进行ANSYS仿真;并根据灵敏度、线性度及制作工艺的难易程度选择这些参数的最佳值.仿真结果表明,该设计方法对微压力传感器的研制具有一定的参考价值.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2013(034)003【总页数】4页(P83-86)【关键词】微压力传感器;灵敏度;线性度;ANSYS仿真;可靠性【作者】王峰;谭晓兰;张敏亮【作者单位】北方工业大学机电工程学院,北京100041【正文语种】中文【中图分类】TP212+.10 引言作为微型机电系统(micro-electromechanical systems，MEMS)设备的主流产品，微传感器具有体积小、响应快、功耗低、可靠性高、易于集成和智能化等特点，现已被广泛应用于家用电器、汽车、生物化学、航天航空、医学、环境检测等领域。
压阻式微型压力传感器敏感结构设计
始 值相等 ， Ｒ ＝ Ｒ ＝ Ｒ。 Ｒ４此 时 电桥平衡 ， 即 。 。 ＝ ， 输
出电压 。 为零 。 若将 ４个 电阻环绕 硅膜片 中心同向 布置， 当膜 片受到 外界压 力作 用时 ， 一对 电阻受拉 而 另 一对 电阻受压 ， 例如 Ｒ。Ｒ。 、 受拉而 Ｒ。Ｒ 受 压时 ， 、
件中， 弹性 膜片 和压 敏 电阻 等 敏感 结构 的设计 对 传 感器性 能有着非 常重要 的影 响 。本 文 以弹性膜 片和
ｅ、３ ｌｅ为正 ， 、４ ｅ ｃ为负 。 时 ， ２ 此 电桥 失去平 衡 ，ｌ ｅ＋ ｅ— ２
压敏电阻为重点 ， 结合典型实例阐述了其敏感结构
的设 计要点 ， 并采 用 有 限元 分 析研 究 了压 敏 电阻 的 设计 、 局对器件 性能 的影响规 律 。 布
２ ０ 年
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮｏ ｔ ｗｅ ｔｒ ｏ ｙｅ ｈ ｉａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ａ ｒｈ ｓｅ ｎＰ ｌｔｅ ｎｅ ｌＵｎｖ ｒｉｙ ｏ
Ｄｅ ｃ．
２０ ８ ０
第２卷第６ ６ 期
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ ６ １２ ．
压 阻式微 型 压 力传 感器敏 感 结构 设计
图 １ 惠 斯顿 电桥
２ 弹性 膜 片 结构 设计
压阻式微型压力传感器的加工工艺步骤如下 ：
首先 在硅 晶 圆背 面各 向异性 刻 蚀 形成 空腔 ， 未刻 透 的腔底 形成 可感受 外界 压力 而变形 的弹性膜 片 。在
阻构成 惠斯 顿 电桥 ， 图 １ 示 。 桥臂输 出电压为 如 所 其
微型压力传感器的参数
微型压力传感器的参数前言随着科技的快速发展，各行各业对于微型压力传感器的需求也逐渐增加。
微型压力传感器是一种可用于测量微小压力的传感器，广泛应用于医疗、航空、汽车、电子、化工等领域。
本文将介绍微型压力传感器的参数。
压力范围微型压力传感器的压力范围通常为0-500kPa，这意味着它可以测量非常细微的压力变化。
对于不同的应用场景，压力范围可能会有所不同，因此需要根据具体情况来选择合适的压力范围的微型压力传感器。
精度微型压力传感器的精度是指其测量结果与真实值之间的误差。
一般来说，微型压力传感器的精度要求比较高。
目前市场上的微型压力传感器的精度通常为0.2%~0.5%。
工作温度微型压力传感器的工作温度通常在-40℃至125℃之间。
不同的压力传感器在不同的温度下性能可能会发生变化，因此需要选择适合的工作温度范围的微型压力传感器。
灵敏度微型压力传感器的灵敏度是指在单位压力下，传感器输出的电信号变化量。
通常来说，微型压力传感器的灵敏度越高，其响应速度也会越快。
计量单位微型压力传感器通常采用帕斯卡（Pa）或者千帕（kPa）作为计量单位，它们是国际公认的压力单位。
在实际应用中，需要根据不同的应用场景选择合适的计量单位来描述压力变化。
液体或气体介质微型压力传感器在不同的液体或气体介质中性能可能会发生变化，因此需要根据具体的应用场景选择合适的微型压力传感器。
防护等级微型压力传感器通常需要具有防护等级来保证其稳定性和可靠性。
防护等级主要包括IP65、IP67、IP68等级，其中IP68的防护等级最高，可以在水下长时间使用。
总结本文介绍了微型压力传感器的主要参数，包括压力范围、精度、工作温度、灵敏度、计量单位、液体或气体介质以及防护等级等。
在选择微型压力传感器时，需要根据具体的应用场景来确定合适的参数范围，以保证传感器的精度和可靠性。
基于SOI的MEMS高温压阻式压力传感器
第58卷第4期 2021年4月撳纳电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol.58 No.4April 2021t)M E M S与待感眾$DOI：10. 13250/ki.wndz.2021. 04. 007基于SO I的MEMS高温压阻式压力传感器单存良a’b，梁庭a’b，王文涛a’b，雷程a’b，薛胜方a’b，刘瑞芳a’b，李志强a’b(中北大学仪器与电子学院a.仪器科学与动态测试教育部重点实验室；b.动态测试技术山西省重点实验室，太原 030051)摘要：基于高温环境下压力实时监测的广泛需求，设计并制备了一种最大量程为1.5 MPa的绝缘体 上硅（SOI)压阻式压力传感器。
根据压阻效应原理和薄板变形理论，完成了传感器力学结构和电 学性能的设计，采用微电子机械系统（MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备，并使用了一种可 耐300 °C高温的封装技术。
实验中采用了常温压力测试平台和压力-温度复合测试平台进行测试，测试结果表明，封装后的传感器在常温环境下具有良好的非线性误差、迟滞性和重复性，其灵 敏度可达到0.082 8 mV/kPa,同时在300 °C高温环境中其灵敏度仍可达0.063 8 mV/kPa。
关键词：高温压力传感器；微电子机械系统（MEMS);压阻效应；灵敏度；倒装封装中图分类号：TP212; TH703 文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2021) ()4_0325-(_)7MEMS High Temperature PiezoresistivePressure Sensor Based on SOIShan Cunliang*,b,Liang Ting*'b,Wang Wentao8,b,Lei Chenga-b,Xue Shengfang*'b,Liu Ruifang a,b,Li Zhiqianga,b(a. Ke y Laboratory o f Instrum entation Science and D ynam ic M easurement o f M inistry o f Education；b. Sh a n xi Provincial K ey Laboratory o f D ynam ic Testing T echnology，School o f Instrum ent andElectronics, North U niversity o f China , Taiyuan030051, C hina)Abstract：Based on the wide demand for real-time pressure monitoring in high temperature environment,a piezoresistive pressure sensor with the maximum range of 1. 5 MPa based on silicon-on-insulator (SOI)was designed and prepared.According to the principle of piezoresistive effect and the theory of thin plate deformation,the mechanical structure and electrical properties of the sensor were designed.The sensitive chip was prepared by the micro-electromechanical system (MEMS)processing technology,and a packaging technology to withstand high temperature of300 °C was used.A room temperature pressure test platform and a pressure-temperature composite test platform were used for testing in the experiment.The test results show that the encapsulated sensor has good nonlinear error,hysteresis and repeatability at room temperature,and收稿日期：2020-11-03基金项目：山西省重点研发计划项目（201903D121123);山西省自然科学基金项目（201801D121157, 201801D221203)通信作者：梁庭，E-mail:********************.cn325徵M电子技术its sensitivity can reach0. 082 8 mV/kPa,while its sensitivity can still reach0. 063 8 mV/kPa at 300 °C high temperature.Keywords: high temperature pressure sensor；micro-electromechanical system(MEMS)；pie-zoresistive effect；sensitivity；flip chip packageEEACC： 7230M； 2575Fo引百高温恶劣环境下，压力的原位测量需求广泛存 在于各领域中，如汽车和飞机发动机舱内部的高温 压力测量控制、航空航天飞行器外表面高温压力测 量等。
硅压阻式压力传感器
硅压阻式压力传感器型号:BYP100
简绍:BYP100型硅压阻式压力传感器，压力接口和
外壳均为不锈钢，具有很好的抗腐蚀性和长期稳定性。
传感器在宽温度范围内进行了补偿，保证了传感器的技术指标。
1.全不锈钢结构,高精度、高输出
2.高可靠、耐腐蚀性优良
3.形结构多样化
4.质保期：1.5年
概述
BYP100型硅压阻式压力传感器，压力接口和外壳均为不锈钢，具有很好的抗腐蚀性和长期稳定性。
传感器在宽温度范围内进行了补偿，保证了传感器的技术指标。
产品广泛应用于气液压力控制系统、制冷设备、工业设备、医疗设备等领域。
公司可以为用户量身定做，承接特殊结构尺寸和温度要求的产品。
特点
316L不锈钢隔离膜片、全不锈钢结构
高精度、高输出
高可靠、耐腐蚀性优良
外形结构多样化
质保期：1.5年
技术性能
恒流供电：推荐1.5mA
恒压供电：推荐10VDC
测量范围：0～20kPa…100Mpa
补偿温度：-10～70℃
工作温度：-40～125℃
输入阻抗：3kΩ～6kΩ
介质兼容性：与316L不锈钢兼容的介质
充灌液：硅油
零点输出：±2mV
满量程：≥100mV（典型）
零点温度漂移：±0.02%FS/℃
灵敏度温度漂移：±0.02%FS/℃
过载：200%FS(10MPa以下)；150%FS（25MPa以上）响应时间：≤50μm（上升到90%FS）
长期稳定性：≤0.2%FS/年。
压阻式压力传感器
压阻式压力传感器压阻式压力传感器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。
单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
压阻式传感器压阻式传感器用于压力、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（见加速度计）。
变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。
压阻效应压阻效应 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硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计）（见电阻应变计）（见电阻应变计），，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸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），（应变），（应变），而且前者的灵敏度比后而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。
倍。
压阻式压力传感器的结构压阻式压力传感器的结构 这种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。
硅压阻式压力传感器的工作特性
论硅压阻式压力传感器的工作特性与应用一、硅压阻式压力传感器的工作特性●采用刻蚀成型扩散硅膜片式结构●有绝压式的、差压式的●尺寸小，重量轻，圆柱状或片状外形●灵敏度高，频响宽，动态范围大●结构牢固，过载能力强●有专用于高温环境下测量压力的●有专用于汽车ABS 系统测量压力的为获得预期的结果，压力传感器的用户应当对被测的压力，所处的环境，其它可选择的方案和预期的结果有一个全面的了解。
他们应当知道所测压力的性质、幅值和持续时间，预期的环境温度，对输出的要求和压力传感器的精确度。
在选择合适的仪器时必须进行折衷，因此必须将影响测量的诸多因素定量化，并区别轻重缓急。
刻蚀成形的硅膜片●灵敏度传感器输出的电信号与所受压力之比，称之为灵敏度。
对于给定的压力，灵敏度越高，压力传感器输出的信号越大。
为了减小噪声引入的误差，在选择压力传感器和系统时，力求使信噪比最大化。
与粘贴应变片压力传感器相比，扩散硅应变片式压力传感器的灵敏度较高，噪声较低。
Endevco 公司采用了刻蚀成型的硅膜片，并采用了横向应变片设计，从而使压力传感器的输出达到满量程300mV ，在10V 直流电压激励下，噪声只有5µV。
●高频响应压阻式压力传感器的膜片既可用来测量静态压力，也可测量动态压力。
对动态压力测量，压力传感器所能响应的上限频率既与膜片的设计形式有关，也与其摆放的位置有关。
由于质量很小，硅膜片的共振频率很高。
硅膜片被置放在传感器的前端，从而减小了静空间，提高了共振频率。
作为动态测量的准则，一般取传感器的共振频率为所欲测的最高频率的五倍。
在测量动态压力时，必须认真地考虑压力传感器所放的位置。
在压力传感器距离测量点过远时，其响应将严重地限制着整个测量系统的响应。
对每个型号的压力传感器的膜片共振频率，恩德福克都做过大量的试验。
满量程为1 psi 的膜片共振频率为60，000Hz ，而量程更高的可达610Hz 以上。
●过压在新的从未测量过的系统中和有短暂的压力尖峰的液压管路里，压力有时会高于预期的值。
硅压阻式压力传感器
硅压阻式压力传感器的相关介绍硅压阻式压力传感器作为一种典型的传感器，目前已经得到了广泛的应用，小编通过搜罗资料，为大家介绍关于其结构及原理方面的内容，以供大家参考。
硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的。
在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，如图3.1所示，作为力——电变换器的敏感元件。
当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源（恒流和恒压），便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。
硅压阻式压力传感器都由3个基本部分组成（图3.2）：①基体，直接承受被测应力；②波纹膜片，将被测应力传递到芯片；③芯片，检测被测应力。
芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将他们连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件。
膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体，所以是压力传感元件的核心部分。
在硅膜片上的背面要用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯，在它的正面制作压阻全桥。
如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。
膜片还有方形、矩形等多种形式。
当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。
4个桥臂电阻在模板上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。
膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。
图3.2所示的是一种充油封装结构，在传感器的波纹膜片及芯片之间填充了硅油，这种结构的压力传感器目前已相当成熟。
量程为0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为0.5%～0.1%；能够实现表压、绝压测量。
硅压阻式压力传感器的另一种封装形式是将硅应变片用于玻璃粉直接烧结在金属膜片上，构成烧结型压力传感器。
由于该传感器的结构特点，能够将弹性原件与被测介质直接接触，易于小型化，适于动态压力测量。
该传感器量程从0～100kPa至0～80MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为0.5%～0.1%。
固有频率从几千赫到几百赫，可用于气流模型试验、爆炸压力测试和发动机动态测量。
硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现
第39卷第6期2018年6月白动化仪表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.39 No.6Jun.2018硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现轰绍忠(重庆四联测控技术有限公司，重庆401121)摘要：硅压阻式压力传感器广泛应用于汽车、医疗、航空航天、环保等领域。
随着科学技术的发展，各领域对压力测量精度的要求越来越高。
但由于半导体材料的固有特性，硅压阻式压力传感器普遍存在零点随温度漂移、灵敏度随温度变化和非线性等问题。
为 了提高硅压阻式压力传感器测量精度、降低输出误差，对该传感器的几种常用补偿算法进行了对比分析和研究，提出了一种基于最小二乘法的曲面拟合高精度补偿算法。
该补偿算法能有效消除硅压阻式压力传感器零点漂移、灵敏度漂移和非线性误差，提高该传感器的输出精度。
试验结果表明，在-40 ~ +80 SC温度范围内，硅压阻式压力传感器经该补偿算法计算后，测量精度得以大幅度提高，输出误差小于0.01%F •S。
关键词：硅压阻式压力传感器；零点漂移；灵敏度漂移；非线性；曲面拟合；补偿算法中图分类号：TH701;TP301.6 文献标志码：A D O I：10.16086/j. cnki. issnl000-0380.2018010059High Accurate Compensation Algorithmof Silicon Piezoresistive Pressure Sensor and Its ImplementationNIE Shaozhong(Chongqing Silian Measure & Control Technology C o.，L td.，Chongqing 401121，China)Abstract ：Silicon piezoresistive pressure sensors are widely used in various fields of national e c o n o m y, such as automotive, medical,aerospace,environmental protection,etc. W i t h the development of science and technology,the requirements for pressure m e a s u rement accuracy are higher and higher in various fields. H o w ever, due to the inherent characteristics of semiconductor materials,silicon piezoresistive pressure sensors c o m m o n l y exist with zero temperature drift,sensitivity changes with temperature and nonlinear problems. In order to improve the m e a s urement accuracy of the sensors and reduce the output error,several c o m m o n compensation algorithms are analyzed and c o m p a r e d, and the m e t h o d of surface fitting high-precision compensation algorithm based on least-squares m e t h o d is proposed. This compensation algorithm effectively eliminates sensor zero drift,sensitivity drift and nonlinear error,and improves sensor output accuracy. T h e experimental results s h o w that the accuracy of the m e a s urement is greatly improved a nd the output error of the sensor is less than 0•01%F • S within the temperature range of -40 〜+80Xl after calculation by this compensation algorithm.K e y w o r d s：Silicon piezoresistive pressure sensor；Zero drift； Sensitivity drift； Nonlinear； Curved surface fitting； Compensation algorithm〇引言随着科学技术的发展，各领域对压力测量精度的 要求越来越高。
扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验讲解
实验四扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。
二、实验仪器压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+4V、±15V。
三、实验原理在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，，形成4个阻值相等的电阻条。
并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。
平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。
四、实验内容与步骤1.扩散硅压力传感器MP×10已安装在压力传感器模块上，将气室1、2的活塞退到20ml处，并按图4-1接好气路系统。
其中P1端为正压力输入、P2端为负压力输入，P×10有4个引出脚，1脚接地、2脚为 Uo＋、3脚接+5V电源、4脚为Uo ﹣；当P1＞P2时，输出为正；当P1＜P2时，输出为负。
2.检查气路系统，分别推进气室1、2的两个活塞，对应的气压计有显示压力值并能保持不动。
3. 接入+4V、±15V直流稳压电源，模块输出端Uo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。
4. 调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。
5. 退回气室1、2的两个活塞，使两个气压计均指在“零”刻度处，将MP×10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。
6. 保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。
直到P1的压力达到0.095Mpa；填入表4-1。
P(KPUo2(V7. 保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。
硅压阻式微型压力传感器
图5-18 扩散硅差压变送器原理 a）传感器结构 b）电路原理
图5-15 MPX3100传感器的结构 a）剖面图 b）敏感元件的符号
MPX3100传感器电路原理
• 该传感器的电路原理见图5-16。图中，A1用于补偿压力传 感器的零位温漂，并起提高输入阻抗作用。A2将差分输入 转换成单端对地输出，并起阻抗变换作用。A3为精密基准 电压源，其作用是校准传感器零位输出电压。A4是电压放 大器，其增益由经激光修整的精密电阻RG 来校准。该传感 器的测量范围为0~0.1MPa，输出电压为（0.5~2.5）V。
图5-16 MPX3100传感器电路原理
5.3.6 MPX7000系列压力变送器
• 该系列压力变送器为DC4~20mA输出的二线制变送器，传 输距离达50m以上，负载电阻为150～400 ，可与DDZ-III调 节器组成自动控制系统。该系列变送器具有温度自动补偿， 线性度好，灵敏度高，重复性好和精度高的特点。
• 该变送器采用X型压敏电阻作为压力检测元件，其符号及 引脚功能见图5-15b，再配接运放A组成。其电路原理见图 5-17。
图5-17 MPX7000系列压力变送器原理图
5.3.7 扩散硅差压变送器
• 扩散硅差压变送器检测元件的结构见图5-18a。整个检测 元件由两片研磨后胶合而成（即硅杯）的硅片组成。在硅 杯上制作压阻元件，利用金属丝将压阻元件引接到印刷电 路板上。再穿过玻璃密封引出。硅杯两面浸在硅油中，硅 油与被测介质间有金属隔离膜分开。被测差压p p1 p2 引 入测量元件后，通过金属膜片和硅油传递到硅杯上，压阻 元件的电阻值发生变化。
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图4-18 扩散硅差压变送器原理 a）传感器结构 b）电路原理
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电气测试技术
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图4-17 MPX7000系列压力变送器原理图
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4.3.7 扩散硅差压变送器
• 扩散硅差压变送器检测元件的结构见图4-18a。整个检测 元件由两片研磨后胶合而成（即硅杯）的硅片组成。在硅 杯上制作压阻元件，利用金属丝将压阻元件引接到印刷电 路板上。再穿过玻璃密封引出。硅杯两面浸在硅油中，硅 油与被测介质间有金属隔离膜分开。被测差压p p1 p2 引入测量元件后，通过金属膜片和硅油传递到硅杯上，压 阻元件的电阻值发生变化。
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4.3 硅压阻式微型压力传感器
4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7
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硅盒制作工艺简述 普通型单片集成压力传感器 具有温度补偿功能集成压力传感器 频率输出型压阻式集成压力传感器 集成压力传感器MPX3100 MPX7000系列压力变送器 扩散硅差压变送器
• 上述单片集成压力传感器由于没有补偿功能，零点漂移和 灵敏度漂移在所难免。因此，传感器的精度和温度特性难 以得到大幅度的提高。这里介绍一种具有零点漂移和灵敏 度漂移补偿功能的集成压力传感器，其组成框图见图4-12。
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图4-12 具有补偿功能的集成压力传感器
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图4-15 MPX3100传感器的结构 a）剖面图 b）敏感元件的符号
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机械工业出版社Leabharlann MPX3100传感器电路原理
• 该传感器的电路原理见图4-16。图中，A1用于补偿压力传 感器的零位温漂，并起提高输入阻抗作用。A2将差分输入 转换成单端对地输出，并起阻抗变换作用。A3为精密基准 电压源，其作用是校准传感器零位输出电压。A4是电压放 大器，其增益由经激光修整的精密电阻RG 来校准。该传感 器的测量范围为0~0.1MPa，输出电压为（0.5~2.5）V。
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4.3.4 频率输出型压阻式集成压力传感器
图4-14 频率输出型压阻集成传感器
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4.3.5 集成压力传感器MPX3100
• 该传感器将压敏电阻、补偿电路、基准电压源和信号调理 电路集成在同一芯片上，其剖面图见图4-15a；敏感元件 的符号和引脚功能见图4-15b。该传感器的敏感元件为单 个X型压敏电阻，它的工作原理是利用单片硅压敏电阻产 生随被测压力而变化的输出电压。图b中，3、1脚接激励 电压；2、4脚为输出电压。
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4.3.1 硅盒制作工艺简述
图 4-10 为硅盒式集成压力 （ （ 2 4 ）将上层硅片与下层硅 ）用标准 CMOS工艺 传感器芯片剖面图，采用 片在 1150℃高温下烧结键 在参照压力空腔周围的上 硅盒结构将压敏元件与 合在一起便形成一个参照 层硅片上制作具有各种功 CMOS信号调理电路集成 压力空腔。 能的信号调理电路。最后 在同一硅芯片上制作微型 （ 3）将上层硅片减薄至 将引脚引出和封装，形成 压力传感器。其制作工艺 30 单片集成微型压力传感器。 ，并将便面抛光，通过 简述如下： 光刻对中方法在参照压力 空腔上方的硅膜片上用离 （1）首先在下层硅片表面 子注入工艺形成压敏全桥。 通过掩蔽腐蚀方法形成深 10 ，长和宽各60 的凹坑。
图4-10 硅盒结构集成压力传感器剖面
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4.3.2 普通型单片集成压力传感器
• 整个压力传感器芯片面积为1.5mm2，其原理电路见图4-11。
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图4-11 集成压力传感器原理
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4.3.3 具有温度补偿功能集成压力传感器
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图4-16 MPX3100传感器电路原理
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4.3.6 MPX7000系列压力变送器
• 该系列压力变送器为DC4~20mA输出的二线制变送器，传 输距离达50m以上，负载电阻为150～400 ，可与DDZ-III 调节器组成自动控制系统。该系列变送器具有温度自动补 偿，线性度好，灵敏度高，重复性好和精度高的特点。 • 该变送器采用X型压敏电阻作为压力检测元件，其符号及 引脚功能见图4-15b，再配接运放A组成。其电路原理见图 4-17。