目前MEMS壓力傳感器有兩種:硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，都是在硅片上產生的微機械電子傳感器。

硅壓阻式壓力傳感器采用高精度半導體電阻應變片組成的惠斯頓電橋作為機電轉換的測量電路，測量精度高，功耗低，成本極低。如果沒有壓力變化，惠斯頓電橋的壓阻式傳感器輸出為零，幾乎不耗電。

MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應力杯內壁，利用MEMS技術在其表面應力上直接雕刻四個高精度半導體應變片，形成惠斯頓測量電橋，作為機電轉換測量電路，將壓力的物理量直接轉換為電量，測量精度可達0.01-0.03%FS。

電容式壓力傳感器采用MEMS技術在硅片上制作膜片柵。上隔膜柵和下隔膜柵形成一組電容式壓力傳感器。上隔膜柵在壓力下向下位移，改變了上隔膜柵和下隔膜柵之間的距離，也改變了板間電容，即△壓力=△電容。一個

應變式壓力傳感器的原理及應用

機械傳感器有很多種，如電阻應變式壓力傳感器、半導體應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、電容式加速度傳感器等。但壓阻式壓力傳感器應用廣泛，價格極低，精度高，線性特性好。下面我們主要介紹這類傳感器。

當對電阻式力傳感器進行解壓縮時，我們首先了解電阻式應變儀。電阻應變片是一種將被測零件上的應變變化轉換成電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要部件之一。金屬電阻應變計和半導體應變計被廣泛使用。金屬電阻應變片有兩種:金屬絲應變片和金屬箔應變片。通常，應變儀通過一種特殊的粘合劑與產生機械應變的基板緊密結合。當襯底的應力改變時，應變儀的電阻改變，從而施加到電阻器的電壓改變。這種應變片通常在受力時電阻變化很小。一般這種應變片形成一個應變電橋，由后續的儀表放大器放大后再傳輸到處理電路 (通常為模數轉換器)

轉換和CPU

)顯示器或致動器。

金屬電阻應變計的內部結構

如圖1所示

如所示，是電阻應變片的結構示意圖，由基材、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片、引出線等組成。根據不同的用途，電阻應變片的電阻值可以由設計者自行設計，但要注意電阻值的范圍:電阻值過小，所需驅動電流過大。同時，應變片的發熱導致其自身溫度過高。在不同環境下使用時，應變片電阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。但電阻過大，阻抗過高，抗外界電磁干擾能力差。一般在幾十歐到幾萬歐左右。

電阻應變儀的工作原理

金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基材上的應變電阻隨機械變形而變化的現象，俗稱電阻應變效應。金屬導體的電阻值可以由下面的公式表示:

式中:ρ-金屬導體的電阻率(ω。平方厘米/平方米

)

S

-導體的橫截面積(cm2

)

L

-導線長度(米

)

我們以金屬絲的應變電阻為例。當金屬絲受到外力時，它的長度和截面積都會發生變化。從上面的公式很容易看出，它的電阻值會發生變化。如果金屬絲受到外力拉伸，其長度會增加，截面積會減少，電阻值會增加。導線受外力壓縮時，長度減小，截面增大，電阻值減小。只要測量電阻的變化(通常是測量電阻兩端的電壓)，就可以得到。

應變絲的應變情況

二

陶瓷壓力傳感器的原理及應用

耐腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體傳輸，壓力直接作用在陶瓷膜片的正面，使膜片輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接形成惠斯通電橋(閉合電橋)。由于壓電電阻器的壓阻效應，電橋產生與壓力和激勵電壓成比例的高度線性的電壓信號。根據不同的壓力范圍，標準信號被校準為2.0。

/

三

/

三點三十分

MV/V等。，可與應變傳感器兼容。通過激光標定，傳感器具有較高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器本身具有0°的溫度補償。

~ 70℃，并能與大多數介質直接接觸。

陶瓷是公認的高彈性、耐腐蝕、耐磨損、耐沖擊、耐振動的材料。陶瓷的熱穩定性及其厚膜電阻可使其工作溫度范圍高達-40℃

~135

溫度，具有較高的精度和穩定性。電氣絕緣度2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高性能、低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向。在歐美，有完全取代其他類型傳感器的趨勢。在中國，越來越多的用戶使用陶瓷傳感器取代擴散硅壓力傳感器。

三

擴散硅壓力傳感器的原理及應用

工作原理:被測介質的壓力直接作用在傳感器的膜片(不銹鋼或陶瓷)上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，這種變化被電子電路檢測到，并轉換輸出一個與此壓力相對應的標準測量信號。

示意圖

四

藍寶石壓力傳感器的原理及應用

基于應變電阻的工作原理，硅-

藍寶石作為半導體敏感元件，具有計量特性。

藍寶石由單晶絕緣體元素組成，不會造成遲滯、疲勞和蠕變。藍寶石比硅更堅固，硬度更高，不怕變形；藍寶石具有非常好的彈性和絕緣性能(1000

指揮官

內)，因此，使用硅-

由藍寶石制成的半導體傳感器對溫度變化不敏感，即使在高溫下也具有良好的工作特性。藍寶石抗輻射能力強；此外，硅-

藍寶石半導體傳感器，無p-n

因此，漂移從根本上簡化了制造過程，提高了可重復性，并確保了高產量。

用硅-

采用藍寶石半導體敏感元件制成的壓力傳感器和變送器能在惡劣的工作條件下正常工作，可靠性高，精度好，溫度誤差小，性價比高。

表壓傳感器和變送器由兩塊膜片組成:鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延應變敏感電橋電路的藍寶石薄片焊接在鈦合金測量膜片上。測量的壓力被傳送到接收膜片(接收膜片和測量膜片通過拉桿牢固地連接在一起)。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片變形，這是由硅-

藍寶石傳感器感應后，其電橋輸出會發生變化，變化的幅度與測得的壓力成正比。

該傳感器的電路可以保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的不平衡信號轉換成統一的電信號輸出(0-5

4-20mA或0-5V)。在絕對壓力傳感器和變送器中，與陶瓷基玻璃焊料相連的藍寶石片起到彈性元件的作用，將測得的壓力轉化為應變片的形變，從而達到壓力測量的目的。

五

壓電式壓力傳感器的原理及應用

壓電傳感器中使用的主要壓電材料包括應時、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫。其中，應時(二氧化硅)是一種天然晶體，在這種晶體中發現了壓電效應。在一定的溫度范圍內，壓電性能一直存在，但溫度超過這個范圍后，壓電性能完全消失(這個高溫稱為

居里點)。由于電場隨應力的變化而略有變化(也就是說壓電系數相對較低)，應時逐漸被其他壓電晶體所取代。酒石酸鉀鈉具有很大的壓電敏感性和壓電系數，但只能在室溫和低濕度下應用。磷酸二氫胺是一種人工晶體，能承受高溫和相對較高的濕度，因此得到了廣泛的應用。

現在壓電效應也應用于多晶體，如壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷和PZT。

、鈮酸鹽壓電陶瓷、鈮酸鉛鎂壓電陶瓷等等。

壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理。壓電傳感器不能用于靜態測量，因為只有當回路具有無窮大的輸入阻抗時，外力作用后的電荷才得以保留。實際情況并非如此，因此決定了壓電傳感器只能測量動態應力。

壓電傳感器主要用于加速度、壓力和力的測量。壓電加速度計是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長的優點。壓電式加速度計已廣泛應用于飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑物的振動和沖擊測量，特別是在航空和航天領域。壓電傳感器也可以用來測量發動機的內燃壓力和真空度。它還可以用于軍事工業，例如測量槍支子彈在膛內發射瞬間的膛壓變化和槍口沖擊波壓力。它可以用來測量大壓力和小壓力。

壓電傳感器也廣泛用于生物醫學測量。例如，心室導管麥克風由壓電傳感器制成。因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器被廣泛使用。機油壓力傳感器里有一個類似的浮子，浮子上有一個金屬板。當壓力正常時，兩塊金屬板分離。只有壓力不足時，兩塊金屬板合在一起，報警燈才亮。所以機油壓力傳感器本身是感受不到溫度的。