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壓力傳感器分類及原理集錦
壓力傳感器的類型：
01應(yīng)變式壓力傳感器
應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變元件可以分為金屬和半導(dǎo)體兩大類。應(yīng)變元件的工作原理基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。
當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測出加在電阻兩端的電壓的變化，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。
02壓阻式壓力傳感器
壓阻壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。它又稱為擴(kuò)散硅壓阻壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。
壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應(yīng)（Piezoresistive effect）。壓阻效應(yīng)是用來描述材料在受到機(jī)械式應(yīng)力下所產(chǎn)生的電阻變化。不同于壓電效應(yīng)，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化，并不會(huì)產(chǎn)生電荷。
大多數(shù)金屬材料與半導(dǎo)體材料都被發(fā)現(xiàn)具有壓阻效應(yīng)。其中半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬。由于硅是現(xiàn)今集成電路的主要原料，以硅制作而成的壓阻性元件的應(yīng)用就變得非常有意義。硅的電阻變化不單是來自與應(yīng)力有關(guān)的幾何形變，而且也來自材料本身與應(yīng)力相關(guān)的電阻，這使得其程度因子大于金屬數(shù)百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導(dǎo)帶谷對的位移所造成不同遷移率的導(dǎo)帶谷間的載子重新分布，進(jìn)而使得電子在不同流動(dòng)方向上的遷移率發(fā)生改變。其次是由于來自與導(dǎo)帶谷形狀的改變相關(guān)的等效質(zhì)量(effective mass)的變化。在P型硅中，此現(xiàn)象變得更復(fù)雜，而且也導(dǎo)致等效質(zhì)量改變及電洞轉(zhuǎn)換。
壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位），當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶狻Ｈ艚o電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出。電橋檢測出電阻值的變化，經(jīng)過放大后，再經(jīng)過電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了輸入電壓成線性對應(yīng)關(guān)系的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。
為減小溫度變化對芯體電阻值的影響，提高測量精度，G+F傳感器都采用溫度補(bǔ)償措施使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。