一種新穎的電子式PS壓力傳感器

　　概述

　　PS壓力傳感器是一種利用半導(dǎo)體膜片結(jié)構(gòu)制成的電子式壓力傳感器，它可將空氣壓力這一物理量變換成電信號(hào), 并能夠高精度、線性地檢測(cè)出壓力的變化。它是松下電工公司近年推出的新產(chǎn)品。

　　早在1954年美國(guó)C.S.Smith首先確認(rèn)了半導(dǎo)體壓電電阻效應(yīng)，1955年C.Herring指出：這種壓電電阻效應(yīng)是由于應(yīng)力的作用，引起導(dǎo)體與價(jià)電子帶能量狀態(tài)的變化，以及載流子數(shù)量與遷移率變化所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。日本從1970年開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)，首先應(yīng)用在血壓計(jì)上，之后在過(guò)程控制領(lǐng)域及轎車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分都獲得了廣泛的應(yīng)用。最近幾年在家用電器、裝配機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用電子壓力傳感器作為壓力控制、壓力監(jiān)控和判斷真空吸附的效果。

圖1

　　工作原理

　　圖1為PS壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖，圖2為其傳感器部分的結(jié)構(gòu)。如圖所示，在壓力傳感器半導(dǎo)體硅片上有一層擴(kuò)散電阻體，如果對(duì)這一電阻體施加壓力，由于壓電電阻效應(yīng)，其電阻值將發(fā)生變化。受到應(yīng)變的部分，即膜片由于容易感壓而變薄，為了減緩來(lái)自傳感器底座應(yīng)力的影響，將壓力傳感器片安裝在玻璃基座上。

圖2

　　如圖2（b）所示，當(dāng)向空腔部分加上一定的壓力時(shí)，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產(chǎn)生形變。壓電電阻的排列方法如圖3所示，受到拉伸的電阻R2和R4的阻值增加；受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。

圖3

　　由于各壓電電阻如圖4那樣組成橋路結(jié)構(gòu)，如果將它們連接到恒流源上，則由于壓力的增減，將在輸出端獲得輸出電壓ΔV，ΔV的大小由下式?jīng)Q定：

　　在（1）式中，當(dāng)壓力為零時(shí)的ΔV等于偏置電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V，實(shí)際上在生成擴(kuò)散電阻體時(shí)，由于所形成的擴(kuò)散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質(zhì)濃度的微小差異，因此總是有某個(gè)電壓值存在。壓力為零時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時(shí)R1、R2電阻的變化部分記作ΔR；相應(yīng)R3、R4電阻的變化部分記作-ΔR，于是（1）式就簡(jiǎn)化為下式：

　　ΔV=ΔRI (2)

　　這個(gè)ΔV相對(duì)壓力呈現(xiàn)幾乎完全線性的特性，只是隨著溫度的變化而有所改變。

　　外圍電路的設(shè)計(jì)

　　圖4是PS壓力傳感器的外圍電路設(shè)計(jì)實(shí)例，圖中用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)壓力傳感器。

圖4

　　由于橋路失衡時(shí)的輸出電壓比較小，所以必須用運(yùn)放IC1b和IC1C來(lái)進(jìn)行放大。圖中VR1為偏置調(diào)整，VR2為壓力靈敏度調(diào)整，VR3為沒(méi)有加壓時(shí)輸出電壓調(diào)整，C1、C2用于去除噪聲。另外，如果電源電壓波動(dòng)的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　圖6是PS壓力傳感器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例。如圖所示，利用氣室，將在不同水位情況下水壓的變化，作為空氣壓力的變化檢測(cè)出來(lái)，從而可以在設(shè)定的水位上自動(dòng)停止向洗衣機(jī)注水。

圖5