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1、压阻传感器苏安明（上海大学 机自学院， 上海）摘要：压阻式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。压阻式传感器也能够实现对压力、温度湿度、加速度和流量等一系列变量的测量。本文着重介绍了压阻传感器的基本原理，并介绍了基于MEMS的压阻传感器在压力、温度、湿度、加速度和流量测量方面的新型设计与应用。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。关键词：压阻式传感器；压力；温度；湿度；加速度；流量Piezoresistive SensorsSu An-ming（School of Mechatronic Engine
2、ering and Automation, Shanghai University, Shanghai）Abstract: Piezoresistive sensors are widely used in aerospace, aviation, marine, petrochemical, power machinery, biomedical engineering, meteorology, geology, seismic and other fields. Piezoresistive sensors can measure the pressure, temperature, h
3、umidity, acceleration, flow etc. This article highlights the basic principium of piezoresistive sensors, and introduces the new design of MEMS-based piezoresistive pressure sensors in measuring temperature, humidity, acceleration and flow . As the further development of Microelectronics and computer
4、 technology, the application of piezoresistive sensors will also develop rapidly.Key words: sensors; pressure; temperature; humidity; acceleration; flow目前，压力传感器种类很多，有振动筒式、石英波登管式、压阻式、应变片式等多种。其中振动筒式压力传感器虽然不确定度可达0.02%FS，但它仅适用于测量以气体为介质的压力，测压范围很小；石英波登管式压力传感器不确定度能达到0.02%，测压范围也很大，可达60MPa以上，但这种传感器结构复杂、成本高；应
5、变式压力传感器测量上限一般不超过25MPa,不确定度为1%FS,目前市场上有上限达60MPa的这类压力传感器,但制作工艺较差,可靠性低,特别是1MPa以下的传感器,不确定度很难达到0.04%FS;压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应制成,它采用集成电路工艺,结构简单,测压上限可达到60MPa,具有工作可靠、耐腐性、抗干扰能力强等特点，国内有些厂家利用美国生产的传感器芯片，加上严格的组装工艺，其不确定度可达0.04%FS以上，在压力测量领域得到了较广泛的应用。压阻式传感器采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。压阻传感器压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压；频率响应好，它可以测量几
6、十千赫的脉动压力。由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。1. 压阻传感器原理1.1 压阻式传感器的基本原理电阻式传感器是将输入的机械量应变转换为电阻值变化的变化原件。电阻变换器的输入量为应变= L L，即材料的长度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。通常=10-6为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量R R。电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应：（/）= ，且=E ，其中:是应力,是压阻系数，E是杨氏弹性模量,所以电阻的相对变化为：（ R R）E，则，应变片将应变转换为电阻输出量。1.2
7、 供电及信号处理电路压阻式传感器可以用恒压源供电，也可用恒流源供电，但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题（图1）。假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R,当有应力作用时,两个电阻阻值增加,增量为R,另两个电阻阻值减小,减小量为R.由于温度影响,使每个电阻阻值都有Rt的变化量,因此,电桥的输出： 图1 恒压源与恒流源供电的比较（1）恒压：V=E(R R+ Rt )可以看出输出电压V与温度有关且为非线性，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。 （2）恒流：V=I R可以看出输出电压V 与温度无关，这就消除了温度对传感器输出信号的影响。 所以可采用如图（2）所示的恒流源供电电
8、路，它采用双电源供电以避免共模干扰。 图2 恒流源供电电路 图3 放大电路1.3 处理电路 压阻式传感器的满量程输出信号为70-350mV不等，其输出阻抗很高，这就要求放大电路须有更高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，以免破坏传感器的工作状态，放大电路如图3所示。 图3电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益，失调电流、电压、噪声和漂移都很小图中A1A2组成第一级同相并联差动放大器，这一级的放大输出为V0=V01-V02=1+R1+R2/W1Vi，A1A2输入端不吸收电流，并且电路结构对称，漂移和失调相互抵消，具有抑制共模信号干扰的能力。2. 压阻传感器的新型设计及应用2.1 压
9、阻传感器在测量流量流速上的设计及应用2.1.1 应用于微化工系统的压力传感器对微化工系统的压力传感器的关键要求有：嵌入式的微型结构;高化学忍受能力;在测量过程中对微流无干扰。我们的压力传感元件是一个1毫米的立方体，是可以嵌入任何地方的玻璃芯片。这种固定体积的装置可以把对微流的干扰最小化。此外，该传感器的隔膜是有多晶硅合成的，它有高度耐腐蚀性。图4给我说明了该传感器的基本结构，传感元件是一个1毫米的立方体，它包含有机硅制成的隔膜，玻璃制成的隔膜支持和金电极。外侧的隔膜有高耐腐蚀碳化硅涂层。只有这部分传感器暴露在腐蚀性液体当中，传感器被保护起来。隔膜上面的金属片作为灵活的传感电极使用。一个带图案的
10、金属层把隔膜和隔膜支持连接在一起。在隔膜和隔膜支持之间形成了约1微米的空隙。当液体对隔膜产生压力时，隔膜发生形变，从而导致空隙发生变化，引起了电容的变化，改变了电极两端电压的大小。当外界压力过大时，隔膜支持支撑着隔膜，防止隔膜被冲坏，所以这个传感器具有耐高压的性质。图4 传感器的基本构成Fig. 4: Sectional view of the pressure sensor element这种压力传感芯片的安装也十分重要，图5和图6分别展示了这种传感芯片的嵌入式安装方式，很好的避免了对微通道中液体流动的干扰。传感器的宽度要大于微通道的宽度，这样才防止了对微通道的影响。 图5 微通道的剖视图
11、图6 嵌入式压力传感原件剖视图Fig. 5 : Sectional view of the microchip Fig. 6 : Sectional view of the microchip with an embedded pressure sensor element.2.1.2 一种新型硅压阻式流速流向传感器的设计微机械在测量流体的流速、流量和流向等方面有着巨大的应用前景。目前，测量流速、流量和流向的微机械器件主要可以分为传热式和非热式两类，现在传热式微流体传感器占据了主流的位置。 本文首次提出了一种基于压阻测量的非热式二维流速流向传感器，并对其结构参数和输出进行了理论计算和有限元分析
12、。创新性地利用SU-8光刻胶作为结构部件并能够用单个部件实现对流速和流向的测量。 传感器的结构如图7所示，在硅衬底上制作4根相互正交的支撑梁，在4根梁的交点处用SU-8光刻胶制作竖直的立柱阻流体，分别在立柱和支撑梁的连接处制作4个压阻。压阻的连接方式如图8 所示，R1R2R3R4分别为4 根支撑梁上的压阻，R 为参考电阻。 图7 传感器结构示意图 图8 测量X、Y方向应力的惠斯通电桥传感器的工作原理如下：当传感器放置在流场中时，流体对立柱阻流体产生压力，这个压力的大小和方向与流体的流速和流向有关，立柱受到的压力会使4根支撑梁发生不同的变形，在4根支撑梁上将会产生不同的应力，通过梁上的压阻来测量
13、支撑梁的应力变化，就可以得到流体的流速和流向信息。 考虑到加工工艺的限制，确定如下结构尺寸：每根支撑梁长1000 m、宽50 m 、厚10 m 。而用SU-8 胶制作的圆柱形阻流体直径200 m 、高500 m 。图9 是传感器的俯视示意图，实际上，因为需要用二阶张量描述电阻率，同时应力也是二阶张量，所以，精确完整地计算压阻效应需要用到四阶张量，这显然过于复杂。在本传感器中，将压阻分别布置在（100）晶面的100和1 10方向，长度为200 m 。考虑到立方晶体中压阻系数的对称性以及应力张量的本征对称性，同时相对长而窄的电阻布置决定了主要的电流密度和电场都是沿着电阻的长轴方向也就是100和11
14、0方向，所以压阻和应力的关系可以简化为： RR=l+l （1）R1R1=l1l1+t1t1=l1+t1t1=67.610-11x1 （2）R2R2=l2l2+t2t2=l2+t2t2=-61.710-11y2 （3）图9 传感器的俯视示意图将压阻连接成图8所示的方式，可以求得:V1V=R3R-R1R2RR1+R3=3-12（2+1+3） （4）V2V=R4R-R2R2RR2+R4=4-22（2+2+4） （5）根据上文所述应力的变化，可以得到压阻的变化率，从而得到电压输出的曲线。 图10 空气流速和电压输出的关系 图11 角度和电压输出的关系从而就可以根据电压的变化来计算出流速的变化，和确定流
15、向2.2 压阻传感器在测量加速度上的设计及应用2.2.1压阻式硅微型加速度传感器的研制 硅微加速度传感器是MEMS 器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，因而在近年来发展迅速。本节给出了一种基于MEMS 技术制作的压阻式硅微加速度传感器的结构和工艺，并对制作的加速度传感器样品进行了动态测试，测试结果表明与理论设计值基本吻合。压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥，在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、四梁和双岛-
