面向动态压力测量的微型压力传感器敏感结构
最新MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术
M E M S压力传感器的结构与工作原理及应用技术MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术MEMS是指集微型压力传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）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。
MEMS压力传感器原理：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。
硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。
惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。
MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。
硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。
应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。
当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。
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，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。
基于MEMS技术的压力传感器制备与测试
基于MEMS技术的压力传感器制备与测试近年来，微电机系统（MEMS）技术在传感器领域得到了广泛应用。
其中，基于MEMS技术的压力传感器因其小型化、高精度和低功耗等特点备受关注。
本文将探讨基于MEMS技术的压力传感器的制备和测试方法，以及其在不同领域的应用。
一、MEMS技术的压力传感器制备MEMS技术是一种将微尺度的机械结构与电子器件集成在一起的技术。
压力传感器是MEMS技术应用的重要领域之一。
在压力传感器的制备过程中，主要包括以下几个关键步骤：1. 压力传感器结构设计：首先需要确定传感器的结构，例如薄膜结构、柔性结构等。
结构的设计要考虑到压力传感器所要测量的压力范围和精度要求等因素。
2. 材料选择：在MEMS技术中，常用的材料包括硅、玻璃、金属等。
选择合适的材料对于传感器的性能至关重要。
例如，硅具有优良的机械性能和化学稳定性，常用于薄膜压力传感器的制备。
3. 制备工艺：MEMS技术的制备包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等步骤。
光刻技术用于定义传感器的结构，而薄膜沉积和离子刻蚀则用于形成薄膜结构。
制备工艺的选择和优化将直接影响到传感器的性能。
4. 传感电路的设计与集成：制备好的压力传感器需要与传感电路结合，以实现信号的采集和处理。
传感电路的设计要考虑到传感器的输出信号特点和外部环境的干扰等因素。
二、MEMS技术的压力传感器测试压力传感器的测试是确保其性能和可靠性的关键环节。
常用的测试方法包括静态测试和动态测试。
1. 静态测试：静态测试用于测量压力传感器的零点漂移、灵敏度、线性度等参数。
在测试过程中，需要通过与标准压力源连接，以模拟不同的压力值，并检测传感器输出的电信号。
根据测试结果，可以对传感器的性能进行评估和调整。
2. 动态测试：动态测试用于测量压力传感器的频率响应等参数。
通过施加不同频率和幅度的压力信号，并检测传感器输出的电信号，可以确定传感器在不同频率下的响应特性。
动态测试可以用于评估传感器的动态性能和抗干扰能力。
传感器基本组成与分类
1 传感器的组成
➢最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组 成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。 有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转 换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块是 敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感 器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。
按照物理原理分类：
★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； ★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； ★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； ★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、 光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； ★气电式传感器：电位器式、应变式； ★热电式传感器：热电偶、热电阻； ★波式传感器：超声波式、微波式等； ★射线式传感器：热辐射式、γ射线式； ★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； ★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。
➢由于空间的限制或者其他原因,测量电路常装入 电箱中。然而，因为不少传感器要在通过测量电 路后才能输出电信号，从而决定了测量电路是传 感器的组成环节之一。
1 传感器的组成
传感器自动检测系统的组成
2 传感器分类方法与分类
一、分类方法与分类
1、按工作机理（检测范畴）：物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理：结构型、物性型转换型 4、按物理原理：十种 5、按传感器用途 ：位移、压力、振动、温度传感器等 6、按转换过程可逆与否 ：单向和双向 7、按输出信号：模拟信号和数字信号 8、按能源：有源传感器和无源传感器
传感器基本组成与分类
传感器基本组成与分类
1
传感器的组成
2 传感器分类方法与分类
1传感器的组成
被测量 敏感元件
转换元件 测量电路 电量
mems压力传感器原理及应用
mems压力传感器原理及应用一、MEMS压力传感器的基本原理MEMS压力传感器是一种微机电系统（MEMS）技术应用的传感器，它通过测量介质的压力来实现对物理量的检测。
其基本原理是利用微机电系统技术制造出微小结构，通过这些结构对介质产生的压力进行敏感检测，并将检测到的信号转换为可读取的电信号。
二、MEMS压力传感器的结构1. 敏感元件：敏感元件是MEMS压力传感器最核心的部分，它通常由微型弹性薄膜或微型悬臂梁等制成。
当介质施加在敏感元件上时，它会发生形变，从而改变其阻抗、电容、电阻等物理参数。
2. 支撑结构：支撑结构是用于支撑敏感元件和保持其稳定工作状态的部分。
通常采用硅基板或玻璃基板制成。
3. 封装壳体：封装壳体主要用于保护敏感元件和支撑结构不受外界环境影响，并提供良好的密封性和机械强度。
三、MEMS压力传感器的工作原理1. 压电式压力传感器：压电式压力传感器是利用压电效应来测量介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，并产生相应的电荷，从而实现对介质压力的检测。
2. 电阻式压力传感器：电阻式压力传感器是利用敏感元件阻值随着形变程度的变化来检测介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其阻值大小。
3. 电容式压力传感器：电容式压力传感器是利用敏感元件与基板之间的微小空气间隙产生的电容值随着形变程度的变化来检测介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其与基板之间空气间隙大小。
四、MEMS压力传感器的应用1. 工业领域：MEMS压力传感器广泛应用于工业自动化、流量计量、液位控制等领域中。
2. 汽车领域：MEMS压力传感器在汽车领域的应用主要包括轮胎压力检测、制动系统控制、发动机燃油喷射等方面。
3. 医疗领域：MEMS压力传感器在医疗领域的应用主要包括血压计、呼吸机等方面。
4. 生物医学领域：MEMS压力传感器在生物医学领域的应用主要包括心脏起搏器、人工耳蜗等方面。
Endevco,Wilcoxon,Sensorex产品技术介绍
Endevco、Wilcoxon、Sensorex产品技术介绍电缆美捷特（Meggitt）所用的电缆和接头都是自己设计和制造的，在极端环境条件下表现出了极佳的性能。
恩德福克（Endevco®）的专家研制生产出了包括低噪声电缆，高温电缆和多芯电缆在内的标准产品和用户专门定制的产品。
所有的电缆和接头都进行了严格的质量保证试验，从而保证了在未来的应用环境中的可靠性。
电子仪器信号适调仪和放大器美捷特（Meggitt）生产供应各种各样高性能的电子仪器，从简单的电池供电的信号适调仪到计算机程控的试验室仪器，可用来测量振动、冲击和压力等。
这些高精度的电子仪器既支持了恩德福克(Endevco®)的产品，又可以与业内压电型（电荷型）、变电容型、集成电路压电型（IEPE）和压阻型传感器配用。
压阻加速度传感器恩德福克（Endevco®）压阻加速度传感器分为有阻尼的和无阻尼的两种。
它具有零频响应，特别适合于测量长持续时间的瞬态过程，可应用于汽车碰撞试验、高g值冲击测量和生物医学领域。
像变电容加速度传感器一样，Endevco®的压阻敏感元件也是在美国加州硅谷（SunnyVale,California,USA）用符合ISO9001的MEMS设备制成的。
有表面安装的，有通用结构的，也有专用外形的。
为增加运送过程中的保护，这种传感器是放在专用的消除静电的包装物中运送的【ESD】。
变电容加速度传感器[VC]变电容加速度传感器具有零频响应，可用来测量运动，持续时间长的物理过程和低频振动。
在极低的频率下，它仍具有高灵敏度和出色的温度稳定性。
众所周知，恩德福克（Endevco®）的加速度传感器能耐受高冲击的作用，具有快速恢复能力。
多年来成为精确测量所必需的产品。
Endevco®的变电容加速度传感器只需直流电源便可工作，而无需专门的信号适调仪。
所有敏感元件都是在美国加州硅谷用符合ISO9001的MEMS设备自己制造的。
mems压力传感器原理
mems压力传感器原理一、MEMS压力传感器的概述MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微电子机械系统的缩写，是一种微型化的电子机械系统技术。
MEMS压力传感器是利用微电子技术制造出来的一种能够测量气体或液体压力大小的传感器，具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，在工业自动化控制、医疗仪器、汽车电子等领域得到广泛应用。
二、MEMS压力传感器的结构1. 压力敏感元件MEMS压力传感器最重要的部分是压力敏感元件，它通常由硅晶片制成。
硅晶片上有许多微小的结构，如薄膜、梁等，这些结构可以随着外部压力变化而产生形变，并将形变转换为电信号输出。
2. 支撑结构支撑结构通常由玻璃或陶瓷等材料制成，它可以保持硅晶片在正常工作时不受外界干扰和损坏。
3. 信号处理电路信号处理电路主要包括放大器和滤波器等组件，用于将从压力敏感元件输出的微弱信号放大并滤波，以便进行后续处理和分析。
三、MEMS压力传感器的工作原理MEMS压力传感器的工作原理基于压阻效应和电容效应。
1. 压阻效应当外界气体或液体压力作用在硅晶片上时，硅晶片会发生形变。
由于硅晶片具有特殊的电阻率，其电阻值会随着形变而发生变化。
因此，通过测量硅晶片的电阻值变化可以得到外界压力大小。
2. 电容效应MEMS压力传感器还可以利用电容效应来测量外界压力大小。
当外界气体或液体压力作用在硅晶片上时，硅晶片与支撑结构之间的距离会发生微小变化。
这种微小变化会导致硅晶片与支撑结构之间的电容值发生变化。
因此，通过测量硅晶片与支撑结构之间的电容值变化可以得到外界压力大小。
四、MEMS压力传感器的优缺点1. 优点（1）体积小、重量轻：MEMS压力传感器体积小、重量轻，可以方便的集成到各种设备中。
（2）响应速度快：MEMS压力传感器响应速度快，可以实现实时监测和控制。
（3）精度高：MEMS压力传感器具有较高的精度和稳定性。
2. 缺点（1）受温度影响大：MEMS压力传感器对温度变化比较敏感，需要进行温度补偿。
压力传感器原理、结构线路及其应用
压力传感器原理、结构线路及其应用;%一．压力传感器原理一些常用传感器原理及其应用:1、应变片压力传感器原理与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。
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。
金属电阻应变片的内部结构1、应变片压力传感器原理原理图如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，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。
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）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。
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
适用于无引线封装的SOI压力敏感芯片总体结构
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020100066适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片总体结构李 村1， 杨鑫婉1， 赵玉龙1， 程 鑫2， 田 雷2(1. 西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049; 2. 中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 100048)摘 要: 无引线封装技术能够将采用SOI 技术的MEMS 压力传感器的工作温度提高到300 ℃以上，解决传统充油封装无法耐受高温的问题，然而，无引线封装亦对SOI 压力敏感芯片结构提出新的挑战。
为应对此问题，该文提出适用于无引线封装的压力敏感芯片总体结构，主要研究压敏电阻掺杂浓度选择、重掺杂引线盘和金属点电极、键合玻璃结构、硅玻键合静电密封环等内容。
通过大面积重掺杂的引线盘及金属点电极的设计解决硅-玻璃在电路器件层的静电键合问题。
在键合玻璃上设计通孔，其位置对应金属点电极，解决电极厚度对键合的影响问题，同时实现欧姆接触。
设计静电密封环结构，解决压力敏感膜片及测量电路的密封问题。
最后，研制适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片样片，证明该文压力敏感芯片总体结构有效。
关键词: 耐高温; SOI; 压力传感器; 无引线封装; MEMS; 压阻效应中图分类号: TP212.1文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2020)12–0054–06SOI pressure sensor chip suitable for leadless packageLI Cun 1, YANG Xinwan 1, ZHAO Yulong 1, CHENG Xin 2, TIAN Lei 2(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;2. The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 100048, China)Abstract : Leadless package technology can increase the operating temperature of MEMS pressure sensors using SOI technology to above 300 ℃, which can replace traditional oil-filled package. However, leadless package also proposes new challenges for the design of SOI pressure sensor chips. In order to solve this problem, this paper proposes a new pressure sensor chip which is suitable for leadless package. This paper mainly studies the doping concentration of piezoresistor, heavily doped lead pads, metal point electrodes,bonding glass structure, and seal ring. The design of large-area heavily doped lead plates and metal point electrodes solve the problem of silicon-glass bonding in the top device layer. Through holes are designed on the bonding glass, and their position corresponds to the metal point electrode, which solves the influence of electrode thickness on the bonding and realizes ohmic contact at the same time. The sealing ring is designed to solve the sealing problem of pressure sensitive diaphragm and measuring circuit. Finally, a sample of SOI pressure sensor chip suitable for leadless package is developed, which proves the effectiveness of the pressure收稿日期: 2020-10-20；收到修改稿日期: 2020-11-20基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB2002900)作者简介: 李 村（1986-），男，山东潍坊市人，讲师，博士，研究方向为微纳传感与制造技术。
常用压力传感器原理及结构介绍
常用压力传感器原理及结构介绍常用压力传感器简介振膜式谐振压力传感器振膜式压力传感器结构如图(a)所示。
振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力 p经过导压管进入压力测量室内。
参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。
装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。
没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为 f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。
在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。
此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。
如图(b)所示压电式压力传感器某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。
它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=kSp式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。
压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。
被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。
电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。
除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
汽车压力传感器的结构、 原理与检测
UO 输出电压/V
压力 kPa
17 34 51 68 85 100
真空室
硅片
P
0
传感器结构图
输出特性
21
二、检测方法 以三菱轿车大气压力传感器为例。安装在空气流量传感 器内，由惠斯登电桥组成，当海拔变化，输出信号到ECU的 16号端子。ECU据此修正喷油量。13和23端子并联以减少接 触电阻。
P 16
2.传感器工作原理 利用两个极板之间的电容与极板间的间隙成反比原理。
氧化铝片和绝缘垫圈构成真空腔的膜盒，该盒装在与进 气管相通的容器内。当进气歧管压力发生变化时，极板氧化 铝片弯曲变形，极板的间隙发生变化，其电容随之变化，从 而获得与压力成正比的电容值信号。 把电容式传感器作为谐振电路的一部分，当进气压力发 生变化时，谐振频率发生相应的变化，其输出信号的频率与 进气压力成正比。其频率大约在80～120Hz内变化。 ECU 根 据 信 号 的 频 率便可算出进气歧管的 绝对压力。
基片 半导体应变片
密封圈
传感 元件
壳体
P
23
安装位置：主缸下部。
P
24
第五节
蓄压器压力传感器
作用：检测牵引力控制系统(TRC)蓄压器油液压力，并将压力 信号转换为电信号输入ECU，以控制液压泵的工作。 1.传感器结构： 由压力检测部分(半导体压敏元件)、电路部分等组成。
2.传感器工作原理： 当油液压力低时，它 向ECU输入油压低信号， 以便起动油压泵，使之运 转；当油液压力高时，它 压力 开关 输入ECU的信号使液压 泵停止运转。 低压…
大气压传感器 测量大气压的范围： 10～1100mb（200PSi） 大气压分辨率： 0.1mbar 测量温度范围： -40℃～+85℃
(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B 为栅宽，L 为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R Aρρ=+ （1） 式中；R —材料电阻由材料力学知识得；[(12)(12)]dRR C K μμεε=++-= (2)K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得R L K K R Lε∆∆== (3)由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
1.3电阻应变式传感器的分类及特点测低压用的膜片式压力传感器常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器测高压用的应变筒式压力传感器1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。
两种动态压力测量装置试验对比研究
两种动态压力测量装置试验对比研究巩岁平;樊嘉峰;徐芳;韩伟;石芸苧【摘要】针对齐平安装与准无限长管两种动态压力测量装置的结构特征,设计了多种动态压力探针.采用正弦压力发生器进行动态压力特性标定,量化了工程应用中两种结构的不同感压管腔对动态压力测量误差的影响,并在发动机总压畸变试验中进行了对比研究.结果表明,齐平安装结构中,传感器安装引起的小容腔对动态压力测量误差影响不大;准无限长管结构中,感压管腔的存在会导致动态压力幅频特性波动、相位滞后,且波动量与感压管腔长度正相关,相位滞后与感压管腔大小呈线性特征.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2017(030)006【总页数】6页(P37-42)【关键词】动态压力探针;齐平安装;准无限长管;动态标定;畸变试验;非定常测量;容腔效应;航空发动机【作者】巩岁平;樊嘉峰;徐芳;韩伟;石芸苧【作者单位】中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703【正文语种】中文【中图分类】V231.31 引言随着航空发动机向高推重比、高可靠性方向发展，发动机内部流动非定常特性越来越受关注[1]。
掌握发动机内流非定常特性的发展、变化规律，对于发动机叶片通道全三维优化设计、内流失稳机理、故障诊断及主动控制、进气畸变性能的准确评定等均具有重要的意义。
发动机内流非定常测量主要通过动态压力传感器实现。
依据测试需求，一般动态压力测量装置的响应频率不低于1.5 kHz。
常用动态压力测量装置有齐平安装结构和准无限长管结构两种形式[2-3]。
其中，齐平安装结构是将传感器置于流道内，直接感受流道内的动态压力信号；准无线长管结构则是将动态压力传感器安装在试验件外端，感受由一段管腔引出的动态压力信号。
微型压力传感器原理
微型压力传感器原理微型压力传感器是一种高灵敏度、低成本、小型尺寸的传感器，可用于测量静态或动态的压力，广泛应用于工业控制、安全监控、生物医学、航空航天等多学科领域。
本文以微型压力传感器的原理为线索，阐述其机械原理、电气原理和仪表原理，以及应用实例。
首先，微型压力传感器的机械原理是基于结构上来分析的，一般由静力学元件、动力学元件和传感器元件组成。
静力学常用材料有钢、铝、铜、聚合物等；动力学元件有弹簧、活塞等；传感器的原理主要是利用电阻实现压力传感，它的结构形式包括液体型、气体型、高压型和特殊型。
其次，微型压力传感器的电气原理是基于其电路上的工作原理来分析的，它的电路结构通常分为三部分：传感器、滤波电路和处理电路。
传感器产生的微弱电流，会经过滤波电路的处理，再送入处理电路，由此进行信号解码和图形显示。
最后，微型压力传感器的仪表原理是从它的应用来分析的，微型压力传感器的应用极其广泛，包括但不限于负压测试、太阳能发电、地壳形变监测、滚动轴承检测、水压检测和电压控制等。
同时，它也可以应用在航空航天、汽车制造、电子科技等众多领域。
从上述内容可以总结微型压力传感器的原理：它由机械结构、电气结构和仪表结构三部分组成，利用电阻实现压力传感，广泛应用于工业控制、安全监控、生物医学、航空航天等多学科领域，以及汽车制造、电子科技等众多领域。
从实际应用上来讲，微型压力传感器有着独特的优势，有助于更好地控制过程和检测物理变量的变化。
它可以用来测量和控制大多数液体和气体的压力，用于各种产品的质量检测和流量控制，还可以采集环境温度、湿度、空气压力、噪声等信号。
例如，在发动机控制系统中，它可以实时监控进气和排气的压力，监测车辆运行状态，从而保证车辆的安全性能。
总之，微型压力传感器具有高灵敏度、低成本和小型尺寸的优点，在工业控制、安全监控、生物医学、航空航天、电子科技等多个领域有着广泛的应用，也在不断改进和发展，为社会的发展和繁荣贡献出了自己应有的力量。
一种新型变谐式微型压力传感器的结构设计
（一３）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 １ 变谐式微 型压力传感器的机构 示意图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ
压力传感器的谐振器结构设计如图 ２所示 。图 ２中所示 Ａ电极作为驱动电极 连接驱动 电压信号 ，产生静电驱动力 ；Ｂ 电极作为检测 电极 ，连接 Ｉ，、，转换 电路 ，检测 电容变化 。谐振 质量块通过四根支撑梁被锚点 Ｅ、Ｆ悬 吊起来。
ｖａｒｉａｂｌｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｂ－ｄｒｉｖｉｎｇ。Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔ ｈｅｏｒｙ ｗａｓ ｄｅｅｐｌｙ ｒ ｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ－
ｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗａｓ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ａｉｒ ｗａｓ ｖａｒ ｉｅｄ．Ｔ ｈ ｅ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔ ｈａ ｔ ｔｈｅ ｒｅｐｅａ ｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔ ｈｅ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｗａｓ ａｂｏｕｔ ０．１％ ａｎｄ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａ ｌ ｄｅｍａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｔ ｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆ ｉｃａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｔ ｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈ ｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ．．
【关键词 】ＭＥＭＳ；谐振；微型压力传感器
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｔｈｅ Ｎｅｗ Ｍ ｉｃｒｏ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
压力传感器- FS系列触力传感器 1500g 的使用说明书
压力传感器FS 系列触力传感器能够在小型商用级别封装下提供精确、可靠的触力传感功能，传感器内含已技术成熟的经特殊微切削硅传感芯片，低功耗、无放大、无补偿的惠斯顿电桥设计在1500g 量程中输出恒定的mV 信号。
传感器的工作原理为：离子注入的压敏电阻受压弯曲时阻值发生变化，并正比于所施加的触力，触力是通过不锈钢插杆直接作用于传感器内部的硅敏感芯片，桥路电阻阻值正比与触力大小，桥路各电阻的变化产生对应的mV 输出信号。
传感器运用专利的模块结构，创新的弹性技术及工程模塑材料使传感器能承受5.5kg 的过压，不锈钢插杆提供极为优秀的机械稳定性，能适合各种应用场合，各种电气连接方式，包括预联线、PCB 、SMT 安装方式，传感器独特的设计能提供包括安装支架在内的多种可选项，也可根据客户要求特制。
典型运用：●医疗吸引泵● 肾透析仪● 机械手● 可调张力控制● 负载或压缩测量● 接触传感FS 传感器选型型号FSG-15N1A触力范围g1,500Min290Typ 360灵敏度(典型值)mV/grf typ.0.24过压g,max 5, 500引脚编号1、 1脚：VS （+）-被标明于引脚表面2脚；输出（+）3脚；接地（-）4脚：输出（-）2、 传感器可恒压或恒流供电，最大供电电压不超过12V ，最大供电电流不超过1.6mA 。
特点：● 紧凑的商业级封装●极低的偏差（典型值30微米@满量程）● 低重复性误差 (0.5%满量程）● 低线性误差 (0.5%满量程）● 低负载中心点偏离误差● 最小分辨率1克● 快速响应（1毫秒）● 低功耗● 很高的抗ESD 能力-10KV技术规格:@10.0±0.01VDC 供电，25˚C电源零点偏置零点漂移，25-0，25-50线性度，BFSL ，灵敏度温漂，25-0˚C 25-50灵敏度重复性反应时间输入阻抗输出阻抗重量ESD （直接接触-引脚与插杆）Min.----30---------------------------10Typ.100±0.5±0.5±5.00.24±0.2---5K 5K 2.0---Max.12+30±1.0------------1.0------------单位VDC mV mV %Span %SpanmV/grf %Span ms ohms ohms grams kV注：1、无补偿的触力传感器当恒流供电（1.5mA ）时，能补偿部分温漂。
(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B为栅宽，L为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：R Ad d d（1）R A式中；R—材料电阻由材料力学知识得；[(12)(12)]dRR C K (2)K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得RLK K R L (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
1.3电阻应变式传感器的分类及特点测低压用的膜片式压力传感器常用的电阻应变式压力传感器包括测中压用的膜片——应变筒式压力传感器测高压用的应变筒式压力传感器1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。
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与 器 件 技 术
MEMS Device & Technology
面向动态压力测量的微型压力传感器敏感结构
西 北 工 业 大 学陕 西 省 微 纳 米 系 统 重 点 实 验 室 西 安 （ ／ ， ） ７ １ ０ ０ ７ ２ 摘 要 围 绕 微 型 压 力 传 感 器 的 动 态 性 能 对 压 力 敏 感 结 构 设 计 进 行 了 研 究 结 合 有 限 元 分 析 掌 握 ： 。 ， 膜 厚 膜 片 平 面 尺 寸 对 于 固 有 频 率 灵 敏 度 的 影 响 规 律 了 压 阻 式 微 型 压 力 传 感 器 的 膜 片 形 状 、 、 、 ， 明 确 了 固 有 频 率 灵 敏 度 与 敏 感 结 构 形 状 尺 寸 间 的 关 系 结 合 研 发 实 例 利 用 时 域 暂 态 有 限 元 分 、 。 ， 析 研 究 了 不 同 厚 度 的 正 方 形 敏 感 膜 片 对 于 正 弦 阶 跃 压 力 载 荷 的 动 态 响 应 情 况 研 究 表 明 较 ， 、 。 ， 较 大 的 膜 片 厚 度 有 利 于 获 得 高 的 固 有 频 率 从 而 得 到 较 宽 的 工 作 频 带 小 的 敏 感 膜 片 平 面 尺 寸 、 ， 、 。 较 快 的 响 应 速 度 关 键 词 动 态 压 力 测 量 有 限 元 微 型 压 力 传 感 器 动 态 性 能 瞬 态 响 应 时 间 ： ； ； ； ； ： ： ： （ ） 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 Ｔ Ｐ ２ １ ２ ． １ Ａ １ ６ ７ １ － ４ ７ ７ ６ ２ ０ ０ ９ ０ ６ － ０ ３ ６ ２ － ０ ４
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SiO2 Ｓi
不 同 形 状 膜 片 的 应 力 分 析 ２ １ ． 首 先 进 行 敏 感 膜 片 的 应 力 分 析 找 出 压 敏 电 阻 ， 。 条 的 合 理 位 置 应 布 置 在 应 力 最 大 处 、 常 用 的 弹 性 膜 片 主 要 有 圆 形 矩 形 以 及 正 方 形 。 等 圆 形 膜 片 和 正 方 形 膜 片 的 最 大 机 械 应 力 分 别 由 ［ ］ ３ 以 下 两 式 给 出， 即 图 压 阻 式 压 力 传 感 器 结 构 １ ２ · · ０ ． ７ ５ 狉 Δ 狆 （ ） ， Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｉ ｅ ｚ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ＝ １ ｇ ｐ ｐ σ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ａ ｒ ｍ ａ ｘ ２ 犱 ２ · · ０ ． ３ ０ ７ ８ 犪 Δ 狆 （ ） ， ＝ ２ ｓ ｕ ａ ｒ ｅ ｍ ａ ｘ ｑ 本 实 验 室 设 计 研 发 了 用 于 气 动 测 量 领 域 的 压 阻 σ ２ 犱 。 微 压 力 传 感 器 基 底 尺 寸 为 Ｓ ｉ Ｓ ｉ １ ９ ５ ０ ｍ × １ ９ ５ ０ 式 ： ； ； 中 为 微 分 压 力 为 膜 片 厚 度 为 正 方 μ 犱 犪 Δ 狆 ， 敏 感 膜 片 尺 寸 为 ｍ × ４ ０ ０ ｍ ９ ５ ０ ｍ × ９ ５ ０ ｍ × ； 。 膜 片 的 有 效 边 长 为 圆 形 膜 片 的 半 径 μ μ μ μ 形 狉 。 。 版 图 设 计 如 图 所 示 ３ ０ ｍ ２ 对 上 述 圆 形 和 正 方 形 膜 片 进 行 有 限 元 μ Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 首 先 在 晶 圆 背 面 各 向 异 性 刻 蚀 形 成 空 腔 ，分 Ｓ ｉ 析 依 据 研 发 实 例 设 计 参 数 如 下 正 方 形 敏 感 。 ， ： 未 刻 透 的 腔 底 形 成 可 感 受 外 界 压 力 而 变 形 的 弹 性 膜 膜 ； 片 基 底 尺 寸 为 ９ ５ ０ ｍ × ９ ５ ０ ｍ × ３ ０ ｍ Ｓ ｉ μ μ μ 在 膜 片 正 面 的 敏 感 位 置 掺 杂 形 成 压 敏 电 阻 沉 １ 。 ， 片 圆 形 敏 感 膜 片 直 ； ９ ５ ０ ｍ × １ ９ ５ ０ ｍ × ４ ０ ０ ｍ μ μ μ 万方数据 年 月 微 纳 电 子 技 术 第 卷 第 期３ ２ ０ ０ ９ ６ ４ ６ ６ ６ ３
万方数据 犕 犻 狀 犻 犮 犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 Ｖ ｏ ｌ ． ４ ６ Ｎ ｏ ． ６ 狌 狀 犲 ２ ０ ０ ９ ３ ６ ２ 犑 犵 狔
（ ， 犕 犻 犮 狉 狅 犪 狀 犱 犖 犪 狀 狅 犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犿 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾 犛 狊 狋 犲 犿 狊 犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 犖 狅 狉 狋 犺 狑 犲 狊 狋 犲 狉 狀 狔 狔 ， ， ） 犡 犻 ＇ 犪 狀 ７ １ ０ ０ ７ ２ 犆 犺 犻 狀 犪 犘 狅 犾 狋 犲 犮 犺 狀 犻 犮 犪 犾 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔 狔
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任 卫 等 面 向 动 态 压 力 测 量 的 微 型 压 力 传 感 器 敏 感 结 构 ：
、 、 、 力 机 翼 的 抖 动 大 气 数 据 变 化 流 量 的 动 态 变 化 积 形 成 连 接 压 敏 电 阻 的 金 属 导 线 以 及 用 来 和 外 围 电 ， 。 等 气 动 测 量 任 务 对 动 态 压 力 测 量 的 需 求 尤 为 急 路 相 连 接 的 焊 盘 ［ ］ １ 迫 。 片 槽 引 线 孔 版 传 感 器 边 缘划 微 型 压 力 传 感 器 具 有 体 积 小 耗 能 低 响 应 快 、 、 ， 在 动 态 压 力 测 量 方 面 具 有 广 阔 应 用 空 的 特 点 ［ ］ ２ 。 、 间 压 阻 式 传 感 器 是 最 典 型 的 应 用 最 广 的 一 类 通 孔 电 接 触 区 ， 微 型 压 力 传 感 器 其 弹 性 敏 感 膜 片 是 核 心 敏 感 结 导 线 ， 。 ， 构 对 于 器 件 的 动 态 性 能 有 重 要 影 响 截 至 目 前 键 合 区 域 面 膜 片 刻 蚀 边 缘 围 绕 动 态 性 能 进 行 微 型 压 力 传 感 器 敏 感 结 构 的 研 究 背 。 较 少 电 阻 条 本 文 重 点 对 压 阻 式 微 压 力 传 感 器 的 敏 感 结 Ｓ ｉ 盘 区 欧 姆 接 触 区 焊 ） ， 构 进 行 分 析 采 用 有 限 元 软 件 计 算 了 不 同 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 图 压 力 传 感 器 版 图 设 计 ２ ， 掌 握 了 敏 感 膜 片 的 尺 寸 弹 性 敏 感 结 构 的 固 有 频 率 Ｆ ｉ ． ２ Ｌ ａ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｓ ｏ ｒ ｇ ｙ ｐ ｎ 、 ， 边 长 厚 度 对 固 有 频 率 的 影 响 分 析 了 在 正 弦 和 阶 ， 敏 感 结 构 的 动 态 性 能 和 响 应 规 跃 压 力 载 荷 作 用 下 、 ， 在 室 温 外 界 气 压 的 条 件 下 对 ２ ５ ℃ ９ ７ ｋ Ｐ ａ 。 律 ， · 传 感 器 样 件 进 行 了 测 试 其 灵 敏 度 大 于 ２ ． ５ ｍ Ｖ － １ － １ · （ ） ， 。 敏 感 结 构 固 有 频 率 为 Ｖ １ ０ ｋ Ｐ ａ ５ ８ ０ ｋ Ｈ ｚ 压 力 敏 感 结 构 １ ， 为 进 一 步 提 高 动 态 特 性 传 感 器 需 要 高 的 固 有 ，频 压 阻 式 压 力 敏 感 结 构 的 平 面 布 局 如 图 所 示 １ ， 、 率 以 便 获 得 快 的 响 应 速 度 宽 的 工 作 频 率 范 利 用 惠 斯 顿 电 桥 可 将 阻 值 变 化 转 化 为 电 压 输 出 信 围 。 ， 、 、 但 是 固 有 频 率 受 到 弹 性 膜 片 形 状 厚 度 平 。 号 ， ， 面 尺 寸 的 影 响 与 灵 敏 度 有 直 接 的 关 系 本 文 针 对 。 上 述 问 题 展 开 了 研 究 空 腔 压 敏 电 阻 弹 性 膜 片