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压力传感器原理及应用

压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号

转换成容易测量的电信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。

压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感

器、电容式压力传感器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感

器，光纤压力传感器等。

一、压阻式压力传感器

固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体

材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按

一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。

压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

1、压阻式压力传感器基本介绍

压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为

半导体应变片，因此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材

料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感

器。

半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器

相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制

成。半导体应变片与金属应变片相比，最突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系

数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大即可直接进行测量记录。此外，

半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽，从静态应变至高

频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结

合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。但是半

导体应变片也存在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵

敏系数随温度变化较大它的应变—电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较

大，不利于选配组合电桥等等。

扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异

性材料，取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏

感电阻膜片。

利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器

为压阻式传感器的基本型式。

硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引

线等组成。硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，

在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的

电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥再用压焊

法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压

腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。

当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，

从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出图1.1压阻式压力传感器

相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。

2、压阻式压力传感器特点

压阻式压力传感器的特点是：灵敏度高，频率响应高；测量范围宽，可测低至10Pa

的微压到高至60Mpa的高压；精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；易于微

小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压力传感器。目前，应用最为广泛的压

力传感器是压阻式压力传感。

3、压阻式压力传感器测量方法

硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻对称布置，电阻变

化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应

关系。5V

如图4的压力测量放大电路中，R1~R4

R1R2

由压敏电阻构成的直流电桥，无力作用时，

R5

通过调节RP使直流桥输出电压为0。R5、RP+

-

R6为限流电阻。通过改变R7值可以改