图文详解：压阻式压力传感器在汽车上的应用

本文先介绍了压阻式传感器的工作原理，再结合MEMS（微机电系统）技术，介绍了智能化硅压阻传感器。通过性能分析和介绍智能化硅压阻传感器的信号调理设计，陈述了MEMS技术硅压阻传感器于汽车应用上的优势。

1 引言

现在，压力传感器是典型的汽车传感器，它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。

2 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。 
  
2.1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。
图1是压阻式压力传感器的结构示意图。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。

 

2.2 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。如图2所示。

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。如图3所示。

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。

单一的硅片芯片只能作为一个检测单元的一部分无法独立完成信号的转换,所以必须有特定的封装使其具备压力检测的能力。将图2中的硅片芯片与PYREX玻璃环静电封接在一起。PYREX玻璃环作为硅芯片的力学固定支撑弹性敏感元件并且使硅芯片与封装绝缘,PYREX玻璃环的孔恰好成为了传感器的参考压力腔体和电极引线腔体。其结构如图4所示。图4的敏感芯体封接在金属螺纹底座上形成进压的腔道后，成为一个可安装的压力测量前端,见图5。此封装技术可以承载至少15MPa的压力,若经特殊处理可承载100MPa的压力。

3  技术性能分析

通过静态特性测试，MEMS技术的智能化硅压阻传感器的技术指标如下：

重复性小于±0.2%满量程

迟滞小于0.1%满量程

非线性小于±0.1%满量程

灵敏度为0.02V/kpa

该传感器的分辨率为100pa

该传感器的过载能力达200%

而普通压阻式压力传感器（如HZ-PRC-802型）技术指标：

测量精度为0.5%（包含线性、重复性、迟滞指标）

灵敏度为±0.02%FS/℃