不同类型压力传感器的比较与溅射膜压力传感器的原理

压力敏感元件是压力传感器或者压力变送器的关键功能元件，压力传感器按其工作原理可分为结构型和物性型两个基本类型。结构型压力传感器包括：弹簧管式、电感式、电位器式和电容式。结构型传感器由于体积较大、抗振动性能差，在现代工业测量中已很少采用。物性型压力传感器包括：压阻式和应变式。压阻式传感器的工作原理是基于压力变化引起敏感电阻的电阻率发生改变，主要指半导体压力传感器。应变式传感器的工作原理是基于压力变化引起的敏感电阻的几何尺寸发生改变，主要包括粘贴式传感器、厚膜和薄膜传感器。表1为各种类型压力传感器的特点比较。

表1 各种类型压力传感器特性比较

薄膜压力传感器被称为“第三代传感器”，自研发成功以来，在工业测量与航天、航空、地面，海上与水下等武器装备中，取代早期压力传感器，应用日益广泛。图1是纳米薄膜压力传感器的工作原理图。

其中，采用离子束溅射与刻蚀技术在弹性膜片上制作组成惠斯登电桥的薄膜电阻，当流体压力P（包括P1和P2）作用在特殊材质的不锈钢弹性膜片上 ,使膜片产生变形 ,这种变形产生的应变使惠斯登电桥输出与压力大小成比例的电信号。对此信号处理后可以获得压力的大小，这就是纳米薄膜压力传感器的基本原理。另外，从物理上，压力传感器关键的基本物理原理归结为惠斯登电桥和电容式两类。

惠斯登电桥：配置于弹性膜片上的电桥电阻在压力作用下发生形变，有的被拉伸，有的则被压缩。电阻尺寸的变化引起电阻值的变化。因此电桥产生差动输出信号，其值正比于施加的压力。惠斯登电桥可由金属电阻或压阻材料构成，压阻电桥由于晶格掺杂效应以及机械变形，能提供较大输出信号。金属电阻可采用多种技术将电桥电阻固定于膜片之上，诸如粘接，硅/陶瓷融合，玻璃微融、直接分子键合等。

电容式：测量两片导电板的电容值，在压力作用下，导电板被迫挤合，使电容值随压力的变化而变化。电容式压力传感元件采用MEMS技术由陶瓷构成，或将金属嵌入半导体层中。

对于非溅射工艺的压力传感元件，例如固定（融合）于金属玻璃密封体或装入充油腔中，所有的压阻和硅技术都存在因掺杂物质迁移和费米能级效应而引起漂移问题。这些影响随着温度的升高而增大。密封和充油隔离腔体由于热膨胀系数不同而引起不希望有的热稳定性问题。在工作温区内的温度非线性是一个大问题，工作温区的高端和低端因此受到限制。并且存在充油腔漏油的潜在可能，这也是不希望有的。金属电阻的粘接或硅陶瓷融合。无可避免的从原理上存在不稳定现象。泽天公司的压力敏感元件采用溅射工艺，在压力介质直接作用的不锈钢膜片上，以分子键合的方式制作出微米级的电阻膜。再经过微电子工艺制作出需要的惠斯登电桥，组成全金属型敏感元件，无任何粘贴剂和活动件，无需密封腔和充油腔，因此具有适用恶劣环境和长期稳定性工作的特点。本文源自泽天传感，版权所有，转载请保留出处。