压阻式压力传感器在汽车领域中的应用

压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生于被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号。




现在，压力传感器是典型的汽车传感器，它*地应用在汽车上。汽车压力传感器的历史开始于1979年，用于引擎燃烧控制的多种*压力传感器。随后，它被*地用于高压场合，如悬挂压力探测和空调制冷压力探测。在引入ＯＢＤ（车载自动诊断系统）后，压力传感器也扩展到了低压场合，如挥发的汽油泄漏探测。现在，压力传感器更进一步地扩展到了高压场合，如汽油燃烧喷射和柴油共轨燃烧喷射系统。显然，压力传感器在汽车上有广阔的发展前景。




工作原理部分

压力传感器可以广义地分为三类：压阻式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器。

下面，本文将先介绍压阻式压力传感器的工作原理，再介绍应用于汽车的MEMS技术智能化硅压阻式压力传感器的工作原理。




压阻式压力传感器

压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。 




压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内。在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。硅膜片用一个圆形硅杯固定，两边有两个压力腔，一个和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，接参考压力，通常和压大气相通。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。

MEMS技术的智能化硅压阻传感器工作原理

为了将压力信号转化为电信号，采用应变原理将惠斯顿检测电桥通过MEMS技术制作在单晶硅片上，使得单晶硅片成为一个集应力敏感与力电转换为一体的敏感元件。

当硅芯片受到外界的应力作用时,硅应变电桥的桥臂电阻将产生变化,一般都为惠斯顿电桥检测模式。

其输出电压表示为： 

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

因为电阻的变化直接与应力P有关,则: 

Vo=SPVB ± Vos 


式中: Vo为输出电压,mV; S为灵敏度, mV/V/Pa; P为外力或应力, Pa; VB为桥压, V; Vo 为零位输出,mV.