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壓阻式壓力傳感器在汽車領域中的應用

2018-12-11 1665次瀏覽 來源:網絡

壓阻式壓力傳感器在汽車領域中的應用

壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應而構成。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,在單晶硅的特定方向擴散一組等值電阻,并將電阻接成橋路,單晶硅片置于傳感器腔內。當壓力發生變化時,單晶硅產生應變,使直接擴散在上面的應變電阻產生于被測壓力成正比的變化,再由橋式電路獲相應的電壓輸出信號。


現在,壓力傳感器是典型的汽車傳感器,它*地應用在汽車上。汽車壓力傳感器的歷史開始于1979年,用于引擎燃燒控制的多種*壓力傳感器。隨后,它被*地用于高壓場合,如懸掛壓力探測和空調制冷壓力探測。在引入OBD(車載自動診斷系統)后,壓力傳感器也擴展到了低壓場合,如揮發的汽油泄漏探測?,F在,壓力傳感器更進一步地擴展到了高壓場合,如汽油燃燒噴射和柴油共軌燃燒噴射系統。顯然,壓力傳感器在汽車上有廣闊的發展前景。


工作原理部分

壓力傳感器可以廣義地分為三類:壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。

下面,本文將先介紹壓阻式壓力傳感器的工作原理,再介紹應用于汽車的MEMS技術智能化硅壓阻式壓力傳感器的工作原理。


壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件,它是基于壓阻效應工作的。所謂壓阻元件實際上就是指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻,當它受外力作用時,其阻值由于電阻率的變化而改變。擴散電阻正常工作時需依附于彈性元件,常用的是單晶硅膜片。 


壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結構,封裝在外殼內。在一塊圓形的單晶硅膜片上,布置四個擴散電阻,兩片位于受壓應力區,另外兩片位于受拉應力區,它們組成一個全橋測量電路。硅膜片用一個圓形硅杯固定,兩邊有兩個壓力腔,一個和被測壓力相連接的高壓腔,另一個是低壓腔,接參考壓力,通常和壓大氣相通。當存在壓差時,膜片產生變形,使兩對電阻的阻值發生變化,電橋失去平衡,其輸出電壓反映膜片兩邊承受的壓差大小。

MEMS技術的智能化硅壓阻傳感器工作原理

為了將壓力信號轉化為電信號,采用應變原理將惠斯頓檢測電橋通過MEMS技術制作在單晶硅片上,使得單晶硅片成為一個集應力敏感與力電轉換為一體的敏感元件。

當硅芯片受到外界的應力作用時,硅應變電橋的橋臂電阻將產生變化,一般都為惠斯頓電橋檢測模式。

其輸出電壓表示為: 

Vo= VBΔR/R (R1 =R2,  R3 =R4 , ΔR1 =ΔR2, ΔR3 =R4) 

因為電阻的變化直接與應力P有關,則: 

Vo=SPVB ± Vos 

式中: Vo為輸出電壓,mV; S為靈敏度, mV/V/Pa; P為外力或應力, Pa; VB為橋壓, V; Vo 為零位輸出,mV. 


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