一種新穎的電子式PS壓力傳感器

PS壓力傳感器是一種利用半導體膜片結構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, 并能夠高精度、線性地檢測出壓力的變化。它是松下電工公司近年推出的新產品。
 

    早在1954年美國C.S.Smith首先確認了半導體壓電電阻效應，1955年C.Herring指出：這種壓電電阻效應是由于應力的作用，引起導體與價電子帶能量狀態(tài)的變化，以及載流子數(shù)量與遷移率變化所產生的一種現(xiàn)象。日本從1970年開始研究開發(fā)，首先應用在血壓計上，之后在過程控制領域及轎車發(fā)動機控制部分都獲得了廣泛的應用。最近幾年在家用電器、裝配機器人等應用領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構圖，圖2為其傳感器部分的結構。如圖所示，在壓力傳感器半導體硅片上有一層擴散電阻體，如果對這一電阻體施加壓力，由于壓電電阻效應，其電阻值將發(fā)生變化。受到應變的部分，即膜片由于容易感壓而變薄，為了減緩來自傳感器底座應力的影響，將壓力傳感器片安裝在玻璃基座上。

圖2

    如圖2（b）所示，當向空腔部分加上一定的壓力時，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產生形變。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那樣組成橋路結構，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的大小由下式決定：

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

    ΔV=ΔRI (2)

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

    外圍電路的設計

    圖4是PS壓力傳感器的外圍電路設計實例，圖中用恒流源來驅動壓力傳感器。

圖4

    由于橋路失衡時的輸出電壓比較小，所以必須用運放IC1b和IC1C來進行放大。圖中VR1為偏置調整，VR2為壓力靈敏度調整，VR3為沒有加壓時輸出電壓調整，C1、C2用于去除噪聲。另外，如果電源電壓波動的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個穩(wěn)定的電源。

    應用實例

    圖5是PS壓力傳感器在全自動洗衣機中的應用實例。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出來，從而可以在設定的水位上自動停止向洗衣機注水。(來源:  半導體應用網)