中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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在科技飛速發(fā)展的今天，傳感器作為電子設備的“感官”，扮演著至關重要的角色。它們能夠感知溫度、壓力、光線等各類信息，并將其轉化為電信號，供設備解讀。而在眾多傳感器中，壓阻傳感器以其獨特的原理和廣泛的應用，成為科技領域中不可或缺的一部分。
壓阻效應：傳感器工作的核心原理
壓阻傳感器的工作原理基于半導體材料的壓阻效應。當固體受到作用力后，其電阻率會發(fā)生變化，進而引起電阻的變化，這種效應就被稱為壓阻效應。在半導體材料中，這種效應表現(xiàn)得尤為強烈。以單晶硅材料為例，當它受到力的作用后，電阻率會發(fā)生變化，通過測量電路就可以得到正比于力變化的電信號輸出。
具體來說，當力作用于硅晶體時，晶體的晶格會產(chǎn)生變形，使載流子從一個能谷向另一個能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。與金屬應變計不同，半導體材料電阻的變化主要取決于電阻率的變化，而不是幾何尺寸的變化，而且前者的靈敏度比后者大50—100倍。
結構組成：實現(xiàn)壓阻效應的關鍵
壓阻傳感器通常由一個感應體和一個支撐體構成。感應體可以是一塊壓敏電阻、應變片或電容器等，而支撐體則用來承載壓力。在實際應用中，壓阻式壓力傳感器是一種常見的類型。它采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，擴散一組等值電阻，并將電阻接成橋路。單晶硅片置于傳感器腔內，硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為20—60。在圓形硅膜片定域擴散4條P雜質電阻條，并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對于膜片中心對稱。
工作過程：從壓力到電信號的轉化
當傳感器處在壓力介質中時，介質壓力作用于波紋膜片上，硅油受壓后將膜片的壓力傳感給半導體芯體。受壓后，硅膜片的電阻值發(fā)生變化，通過引線引出電阻信號。這種變化經(jīng)過放大器放大，并采用標準壓力標定后，即可進行壓力檢測。
以壓阻式壓力傳感器接入惠斯通電橋為例，平時敏感芯片沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位）。當傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或者電壓電源，電橋將輸出與壓力對應的電信號，這樣傳感器的電阻變化就通過電橋轉換為壓力信號輸出。
性能特點：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并存
壓阻傳感器具有諸多優(yōu)點。首先，它的靈敏度高，能夠準確感知微小的壓力變化。例如，在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中，單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫，非線性和滯后均為全量程的±0.22%。其次，壓阻傳感器體積小、易于集成，可以方便地嵌入各種小型設備中。此外，它還具有響應速度快、線性度好、環(huán)境適應性強等特點。
然而，壓阻傳感器也存在一些挑戰(zhàn)。例如，交叉靈敏度問題既與傳感器應變片自身的壓阻系數(shù)、彈性模量、溫度系數(shù)有關，又與電橋的供電電壓有關。因此，應變和溫度同時作用于傳感器時，傳感器的輸出不是應變和溫度單獨作用時產(chǎn)生的輸出量的簡單迭加，還存在著熱力學和力學量的相互作用，這個作用反映為交叉靈敏度，其大小反映了這種相互作用的程度。
應用領域：廣泛而重要
壓阻傳感器在多個領域都有著廣泛的應用。在工業(yè)生產(chǎn)中，壓阻式傳感器被用于監(jiān)測流體壓力，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性。例如，在化工生產(chǎn)中，通過實時監(jiān)測反應釜內的壓力變化，及時調整工藝參數(shù)，避免安全事故的發(fā)生。
在航空航天領域，壓阻式傳感器被用于測量發(fā)動機推力，為飛行器的性能評估和安全飛行提供重要數(shù)據(jù)支持。同時，在航空航天器內部，壓阻式傳感器也用于監(jiān)測艙內氣壓，確保乘客和機組人員的舒適度及安全。
在機器人技術中，壓阻式傳感器可用于測量機器人的夾持力和碰撞力，為機器人提供精準的力反饋，從而提高生產(chǎn)過程的準確性和安全性。
在醫(yī)療設備領域，壓阻式傳感器被廣泛應用于血壓計、呼吸機等醫(yī)療設備中，實現(xiàn)對患者生命體征的精準監(jiān)測與記錄。例如，在血壓計中，壓阻式傳感器能夠實時感知血壓變化，并將數(shù)據(jù)傳輸給顯示器，供醫(yī)護人員參考。
在汽車制造領域，壓阻式傳感器用于監(jiān)測剎車片的壓力變化，確保剎車系統(tǒng)的正常工作和行駛安全。在懸掛系統(tǒng)中，壓阻式傳感器則用于監(jiān)測車身的振動情況，為懸掛系統(tǒng)的調整提供數(shù)據(jù)支持，提高乘坐舒適度。
壓阻傳感器以其獨特的壓阻效應原理、精巧的結構設計、高效的工作過程、優(yōu)越的性能特點和廣泛的應用領域，成為科技領域中不可或缺的一部分。隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，壓阻傳感器的應用領域還將進一步拓展，其性能和穩(wěn)定性也將得到進一步提升。未來，壓阻傳感器將為我們帶來更多驚喜和便利，在科技發(fā)展的道路上發(fā)揮更加重要的作用。
