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电阻式压力传感器姓名：杨登学号：201007301236摘要：电阻式压力传感器是利用介质对压力的应变变化，引起电路中电阻发生变化，从而把不易测量的非电学量压力转化为电学量，方便测量，并且可以输入计算机进行数据处理，做这种用途的电阻称为电阻式传感器。本文通过部分文献资料对电阻式压力传感器发展、原理及应用做一简要介绍。关键词：电阻、压力、传感器Abstract：Resistive pressure sensor is to use the media to stress and strain change, change caused in the circuit resistance, not easy to measure the electrical signal by pressure is converted into electrical signal, convenient measurement, and can enter your computer for data processing, for this kind of use resistor called a resistive sensor. In this article, through some literature of resistance type pressure sensor development, give a brief introduction of principles and applications.一、压力传感器的发展历程现代压力传感器是以半导体传感器的发明为标志的，而半导体压力传感器的发展可分为以下四个阶段：1、发明阶段(1945-1960年）：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯于1945年发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段压力传感器的最小尺寸大约为1cm。2、技术发展阶段（1960-1970年）：随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。3、商业化集成加工阶段（1970-1980年）：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。4、微机械加工阶段（1980年-今）：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。二、压力传感器发展趋势现如今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，几乎渗透到国家的各个行业中，归纳起来主要有以下几个趋势：1、小型化：小型化会带来很多好处，如重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方；对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。2、集成化：压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统，集成系统在过程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。3、智能化：由于集成化的出现，在集成电路中可以添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。4、系统化：单一化产品在市场上没有大的竞争力。市场风云突变，一旦失去市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。5、标准化：传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如IEC、ISO国际标准，美国的ANSIC、ANSC、MIL-T和ASTME标准，日本JIS标准，法国DIN标准。三、压力传感器的原理与应用本文主要介绍电阻式压力传感器。电阻式压力传感器主要有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器。其中应用最为广泛的是压阻式压力传感器，而电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分。1、电阻应变式压力传感器原理与应用1.1、电阻应变片：电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。1.2、金属电阻应变片的内部结构：电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用时，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般为几十欧至几十千欧左右。1.3、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用公式R=l/S表示。式中：R为电阻值（常用单位）；为电阻率（常用单位m ）；S为横截面积（常用单位）；L为导线的长度（常用单位m）。我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。2、陶瓷压力传感器原理及应用陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷压力传感器中没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿070，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也有越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。3、 扩散硅压力传感器原理及应用被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。四、总结压力传感器技术已经发展到比较高的水平，并且更新换代的速度很快。随着我们对压力传感器材料、工艺等研究的不断深入，随着微电子技术和计算机技术的不断发展，相信压力传感器在精确度、稳定性和智能化等各个方面都将得到进一步的完善和提高，压力传感器在生物医学、微型机械和航空工业等领域也必将有着更为广泛的应用前景。五、参考文献1 赵继文.传感器与应用电路设计M.北京:科学出版社,2002.2 金发庆.传感器技术与应用(第二版)M.北京:机械工业出版社,2006.3 张树生；韩克江；成健 基于MEMS技术的硅微机械流体传感器的原理及应用J.仪表技术与传感器 2007, (3).4 王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术M.北京:机械工业出版社,2007.5 郁有文.传感器原理及工程应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2001.6 严钟豪,谭祖根.非电量电测技术M.北京:机械工业出版社,2001.7 沈聿农.传感器及应用技术M.北京:化学工业出版社,2001.8 范晶彦.传感器与检测技术应用M.北京:机械工业出版社,200