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扩散硅压力传感器是如何工作,工作原理?

来源:威勤电子 07/01/2025

扩散硅压力传感器的工作原理,‌是基于硅膜片上单晶硅的压阻效应‌,通过惠斯通电桥将压力引起的电阻变化转换为电信号输出。为了保护脆弱的硅膜片,工业用扩散硅压力传感器通常采用隔离膜片结构。压力通过一个耐腐蚀的隔离膜片(如316L不锈钢、哈氏合金等)传递,膜片间的密封腔内填充硅油或其他传递液,将压力无损失地传递到内部的硅感压膜片上。

扩散硅压力传感器

1、核心元件:硅膜片
 
传感器核心是一片非常薄(微米级)的单晶硅膜片(感压膜片),通常通过微机械加工技术(MEMS)制作在硅基座上。
 
2、压敏电阻:
 
在硅膜片的特定位置(通常在边缘应力最大处),利用半导体掺杂工艺(如离子注入或扩散)制作四个性能高度一致的压敏电阻(Piezoresistor)。
 
3、惠斯通电桥:
 
这四个压敏电阻以特定方向(两个沿径向,两个沿切向)布置在硅膜片上,被连接成一个惠斯通电桥电路。在无压力状态下,电桥处于平衡状态(输出电压为零)。
 
4、压阻效应:
 
核心原理: 当压力(P)施加在膜片一侧时,膜片发生微小的形变(弯曲)。
 
电阻变化: 硅材料具有显著的压阻效应。形变导致硅晶格结构发生应变(拉伸或压缩),从而改变了膜片上压敏电阻的电阻值(ΔR)。通常,膜片中心受压时,边缘两个电阻受拉伸阻值增加(R↑),另外两个受压缩阻值减小(R↓)。
 
5、电桥失衡与输出:
 
被测压力通过隔离膜片和硅油传递至硅片,电阻的变化(ΔR)破坏了惠斯通电桥的平衡。电桥的输出端(通常称为+Out和-Out或Sig+和Sig-)会产生一个与所施加压力成正比的微小差分电压信号(mV级别)。
 
6、信号处理(通常在变送器内):
 
这个微弱的mV信号会被传感器内部或外部的信号调理电路(放大、线性化、温度补偿、标准化)处理,最终转换成工业标准信号(如4-20mA电流信号、0-5V/0-10V电压信号、数字信号等),方便后续的PLC、DCS或显示仪表读取。
 
7、温度补偿:
 
硅的压阻效应和电阻本身对温度敏感。因此,传感器内部会集成温度敏感元件(如热敏电阻),并通过补偿电路或软件算法来修正温度漂移带来的误差。
 
总结原理链:压力(P) -> 感压膜片形变 -> 压敏电阻应变 -> 电阻变化(ΔR) -> 惠斯通电桥失衡 -> 产生差分电压(ΔV) -> 信号调理 -> 标准输出信号