压阻式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用研究

压阻式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用研究摘要：分析了压阻式传感器的结构、工作原理以及相关应用电路，介绍了压阻式传感器发展状况以及它在汽车测试中的应用。关键词：传感器，压阻，汽车，测试一压阻式传感器的结构原理压阻式传感器（piezoresistancetypetransducer）是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。压阻式传感器可分为粘贴型压阻式传感器(传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片)和扩散型压阻式传感器(它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。1.1压阻效应半导体电阻率πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。对半导体材料而言，πlE(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的变化是由应变引起的半导体单晶的应变灵敏系数可表示)21(RRlllEl＝(12)lRERllERR半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小晶向的表示方法结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的多个平面围合而成，晶面与镜面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。硅为立方晶体结构。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴，称为晶轴，用X、Y、Z表示。ERRKl/xxyzyz对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。各镜面上的原子密度不同，所表现出的性质也不相同。单晶硅是各向异性材料，取向不同，则压阻效应不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅杯形的压阻芯片。影响压阻系数的因素影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和环境温度。压阻系数与扩散杂质表面浓度Ns的关系如图所示。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小；表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的（绝对）值高，因此选P型硅有利于提高敏感元件的灵敏度。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。12010080604020-1或44/(10-11m2N-1)101810191020102111（N型Si）44（P型Si）27℃Ns(cm-3)1.2结构与工作原理（1）体型半导体电阻应变片结构型式及特点：主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍横向效应和机械滞后极小温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多体型半导体应变片的结构形式1-P型单晶硅条2-内引线3-焊接电极4-外引线对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的影响，其关系式为：oTURURR测量电路恒压源电桥输出电压与ΔR/R成正比，输出电压受环境温度的影响。R为应变片阻值，ΔR为应变片阻值变化，ΔRt为环境温度变化受环境温度引起阻值的变化恒流源电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。（2）扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构简图1—低压腔2—高压腔3—硅杯4—引线5—硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。)/(0tRRRUURIU0])31()1[(83])3()1[(8322022202rrhprrhptr设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥扩散型压阻式压力传感器特点优点:体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。（3）测量桥路及温度补偿由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。减少与补偿误差措施1.测量电桥2.零点温度补偿3.灵敏度温度补偿1测量电桥假设ΔRT为温度引起的电阻变化电桥的输出为恒流源供电的全桥差动电路，电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。2.温度漂移及其补偿温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移IIIADCABC21RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210零点温度漂移是由于四个电阻的阻值及其温度系数不一致造成的，一般用串并联电阻的方法进行补偿。灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。利用在电源回路中串联二极管的方法进行补偿。1.3压阻式压力传感器两种输出形式1.输出模拟电压它是把扩散在硅膜片上四个等值电阻接成惠斯登电桥电路，输出与应变也即与压力成比例的模拟电压。硅膜片平面上的晶向不同，其压阻效应也不同，因此电阻分布的位置也应不同，当膜片材料的晶向确定后，则电阻在膜片上的位置也就确定了。图4-17是选用(100)面和(110)面单晶硅电阻分布情况。从图4-17a)中可以看到还有一电阻Rt，它是测温电阻，位于应变为零的地方，因此压力对它不发生影响，它的作用是反映单晶硅膜片的真实温度。UR1R2R4R3U0RsRpVD2.输出频率信号它的基本原理是利用半导体材料中p-n结本身存在着的结间电容与p型电阻形成一个R-C分布阻容网络如图4-18a),再将R-C分布阻容网络接成一单独的相移振荡器如图4-18b)。在压力为零时，相移振荡器的输出频率为f0，在有压力作用时，网络中的电阻发生变化，相移振荡器的输出频率为f1,这样频率的变化反映出压力的变化。即在结构上一般都采用差频输出的形式，也就是选择适当的晶相和位置，做成两套如图4-19所示的相移振荡器。在压力为零时，两个相移振荡器的输出频率都为f0，这时差频为零。在被测压力作用下，一个相移振荡器由于电阻增加，输出频率减少为fl;而另一个相移振荡器则相反，电阻减小，使输出频率增加为f1’。这时频率△f为频率差△f的变化就反映了压力的变化值。二压阻式传感器其应用电路设计2.1供电电路压阻式传感器可以用恒压源供电，也可用恒流源供电，但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题，如图所示假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力时$两个电阻阻值增加，增量为另两个电阻阻值减小，减小量为，由于温度影响，使每小电阻值都有的变化量。因此，电桥的输出：可以看出输出电压V与温度有关且为非线性，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。可以看出输出电压V与温度无关，这就消除了温度对传感器输出信号的影响。所以可采用如图所示的恒流源供电电路，它采用双电源供电以避免共模干扰。电流其稳定度取决于基准电压源1403和电阻R的稳定度。2.2处理电路压阻式传感器的满量程输出信号为70—350mv不等，其输出阻抗很高，这就要求放大电路须有更高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，以免破坏传感器的工作状态。这里介绍的放大电路如图所示这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益;失调电流、电压、噪声和漂移都很小。图中A1，A2组成第一级同相并联差动放大器，这一级的放大输出为A1,A2输入端不吸收电流，并且电路结构对称，漂移和失调相互抵消，具有抑制共模信号干扰的能力，A3构成第二级差动放大，提高放大倍数，欲有效地抑制共模信号干扰，须使电路中则放大器总输出为调节电位器W,可改变放大器增益,令R1=R2,则三压阻式传感器发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可达0.1～0.01%；④灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；⑤无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和造价高等。四压阻式传感器在汽车测试技术中的应用目前压力传感器广泛地应用在汽车上。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绝对压力传感器。随后，它被广泛地用于高压场合，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。随着汽车行业对多路绝对压力和轮胎压力监测精确度的要求越来越高人们研制出了将传感元件、信号处理以及封装合并而成的、附带放大器和校准输出的高性能单芯片压阻式传感器．该传感器通过将硅微加—设计技术和领先的混音信号CM05电路处理技术集成到一起的方法解决了单芯片传感器早期发展存在的诸多问题。以前的背景压阻式压力传感器都需要信号调理电路(signaI—conditioningcircuitry)来实现与其他电子控制系统的互换(inchangeahjl1y)和兼容。由于每个传感元件都具有自己的特色，且同时受压力和温度的影响，因此信号调理电路需要大量的修正系数{eorreclion(：oeffieiem~)其中包括偏移的校准、全刻度(full—scale)的调整以使单元间电力的互换、提供偏移和全刻度所需的温度补偿等。另外，某些时候还需要线性校准、诊断和过滤等功能。将信号调理电路和传感元件结合起来的传统方式只是技术和商业上的折中结果，换句话说，这是产品成本和性能之间的权衡。而单片机集成电路虽然降低了成本和尺寸但在整合信号调理电路和传感元件方面，存在制作工艺上的限制。则采用专用的ASIC或分立电路方式的混合技术(Hybridteehndques)尽管相比单片电路器件这种技术拥有诸多好处，同时也具有更好的弹性来适应简单元件更换的设计要求，但这种混合技术制作的产品在尺寸和成本方面往往过大，另外还需要额外的装配工艺来加强可靠性而双芯片two-chip)解决方案的出现则为汽车制造商们解决温度补偿和线性纠正难题提供了另一条捷径。1图1所示就是采用双芯片共集成(Cn—IntegrateI1)技术制作的传感器的总线节点布点图