葉軍紅

（森薩塔科技常州有限公司， 江蘇 常州 213000）

現(xiàn)代化信息產(chǎn)業(yè)由信息系統(tǒng)“感官”的傳感器技術(shù)、信息系統(tǒng)“神經(jīng)”的通信技術(shù)和信息系統(tǒng)“大腦”的計(jì)算機(jī)技術(shù)三大支柱技術(shù)構(gòu)成，其中傳感器的技術(shù)水平和品質(zhì)直接決定了信息技術(shù)系統(tǒng)的功能和發(fā)展水平。

傳感器（GB／T 7665—2005） 是一種能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件或者裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器按照功能可以分為壓敏、溫敏、流體、光敏、聲敏、氣敏、化學(xué)等傳感器，其中壓力傳感器在航空航天、軍事裝備、工程裝備、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療器械和物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)都有著極其廣泛的應(yīng)用，也是各類傳感器中應(yīng)用面最廣、需求量最大的品種。

1 壓力傳感器在汽車行業(yè)的現(xiàn)狀

在汽車電子行業(yè)中，汽車傳感器作為信息采集源，主要應(yīng)用于動力總成系統(tǒng)，車身控制系統(tǒng)以及底盤系統(tǒng)中，主要包括8類不同功能的傳感器：壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器以及輪速傳感器。

壓力傳感器在汽車行業(yè)上使用量多，技術(shù)發(fā)展快。目前在汽車傳感器市場上使用的壓力傳感器根據(jù)壓敏元件的主流技術(shù)主要分為電容式壓力傳感器和電阻式壓力傳感器兩大類。

2 電容式壓力傳感器

2.1 電容式壓力傳感器的原理

陶瓷電容壓力傳感器［1，5，7］采用陶瓷膜片作為壓敏元件，陶瓷膜片和陶瓷基體分別制作成電容的兩極。當(dāng)外界壓力作用于陶瓷膜片時(shí)，陶瓷膜片發(fā)生變形，兩極之間的距離發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電容量改變，再通過特定的ASIC調(diào)理芯片，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號（圖1）。

圖1 陶瓷電容壓力傳感器的原理

2.2 電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

陶瓷電容技術(shù) （圖2） 從結(jié)構(gòu)上主要包含陶瓷基體和陶瓷膜片兩大部分，采用高溫熔融的玻璃將陶瓷膜片和陶瓷基體燒結(jié)在一起從而起到密封的作用。陶瓷基體和陶瓷膜片的內(nèi)側(cè)都印刷有電極圖形（圖3），從而形成一個(gè)可變電容。當(dāng)測量的外界壓力通過特制的通道傳遞到陶瓷膜片時(shí)，陶瓷基體和陶瓷膜片之間的電容量會隨壓力的變化而變化，特定的ASIC調(diào)理芯片通過設(shè)定好的轉(zhuǎn)換方程將測量到的電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖2 陶瓷電容敏感元件示意圖

圖3 陶瓷電容敏感元件實(shí)物圖

2.3 電容式壓力傳感器在汽車行業(yè)的主要應(yīng)用

陶瓷電容技術(shù)具有成本適中、耐腐蝕性好、介質(zhì)兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢，采用陶瓷電容作為壓敏元件的壓力傳感器被廣泛應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì)的壓力檢測中，尤其適用于汽車系統(tǒng)（表1） 惡劣的工況環(huán)境。

表1 電容式壓力傳感器在汽車上的主要應(yīng)用

3 電阻式壓力傳感器

3.1 電阻式壓力傳感器的原理

電阻式壓敏元件利用濺射或者微熔玻璃等方式將應(yīng)變電阻固結(jié)在彈性膜片上組成惠斯通電橋。當(dāng)外界壓力作用于彈性膜片時(shí)，膜片發(fā)生變形，應(yīng)變電阻的電阻值發(fā)生改變，從而導(dǎo)致惠斯通電橋改變，再通過特定的ASIC調(diào)理芯片，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號（圖4）。

圖4 電阻式壓力傳感器的原理

3.2 電阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

電阻式壓力傳感器利用應(yīng)變電阻的壓阻效應(yīng)，隨著MEMS技術(shù)的普及，根據(jù)彈性膜片的材料類型和應(yīng)變電阻的封裝方式，可以分為陶瓷電阻式、濺射薄膜式、硅應(yīng)變片式和硅壓阻式等4類。

3.2.1 陶瓷電阻式（金屬應(yīng)變片） 結(jié)構(gòu)的壓敏元件

陶瓷電阻技術(shù)［2，5，7］（圖5） 采用厚膜印刷工藝將應(yīng)變電阻印刷在陶瓷基體的表面，應(yīng)變電阻組成惠斯通電橋 （圖6）。當(dāng)測量的外界壓力通過特制的通道傳遞到陶瓷膜片時(shí)，金屬應(yīng)變片的壓敏電阻效應(yīng)會導(dǎo)致惠斯通電橋的阻值隨著壓力的變化而變化，特定的ASIC調(diào)理芯片通過設(shè)定好的轉(zhuǎn)換方程將測量到的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖5 陶瓷電阻敏感元件示意圖

3.2.2 濺射薄膜式 （金屬應(yīng)變片） 結(jié)構(gòu)的壓敏元件

濺射薄膜技術(shù)［3，4，7］（圖7） 采用離子濺射工藝將應(yīng)變特殊材料的金屬離子按照特定的圖形印刷在不銹鋼基體的表面生成金屬應(yīng)變電阻，特殊材料的金屬離子生成的應(yīng)變電阻組成惠斯通電橋 （圖8）。當(dāng)不銹鋼膜片上承受的外界壓力變化時(shí)，由于壓敏電阻效應(yīng)，不銹鋼膜片產(chǎn)生微小形變導(dǎo)致惠斯通電橋的阻值發(fā)生變化，通過ASIC調(diào)理芯片將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信息輸出。

圖6 陶瓷電阻敏感元件實(shí)物圖

圖7 金屬應(yīng)變電阻敏感元件示意圖

圖8 金屬應(yīng)變電阻敏感元件實(shí)物圖

3.2.3 硅應(yīng)變片式結(jié)構(gòu)的壓敏元件

硅應(yīng)變片技術(shù)［5，7］（圖9） 采用玻璃漿料將硅應(yīng)變計(jì)高溫?zé)Y(jié)在不銹鋼基體的表面，硅應(yīng)變片等效的4個(gè)電阻組成惠斯通電橋（圖10）。當(dāng)不銹鋼膜片上承受的外界壓力變化時(shí)，由于壓敏電阻效應(yīng)，不銹鋼膜片產(chǎn)生微小形變導(dǎo)致惠斯通電橋的阻值發(fā)生變化，通過ASIC調(diào)理芯片將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信息輸出。

圖9 硅應(yīng)變片敏感元件示意圖

圖10 硅應(yīng)變片敏感元件示意圖

3.2.4 硅壓阻式結(jié)構(gòu)的壓敏元件

硅壓阻技術(shù)［6，7］（圖11）利用半導(dǎo)體材料的壓阻特性來實(shí)現(xiàn)，在硅膜片的表面蝕刻出等效的電阻來組成惠斯通電橋 （圖12）。當(dāng)硅膜片上承受的外界壓力變化時(shí)，由于壓敏電阻效應(yīng)，硅膜片產(chǎn)生微小形變導(dǎo)致惠斯通電橋的阻值發(fā)生變化，通過ASIC調(diào)理芯片將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。

圖11 硅壓電阻敏感元件示意圖

3.3 電阻式壓力傳感器在汽車行業(yè)的主要應(yīng)用

圖12 硅壓電阻敏感元件示意圖

電阻式技術(shù)具有體積小、量程范圍寬、溫度一致性好等優(yōu)勢，電阻式壓力傳感器被廣泛應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì)的壓力檢測中，尤其適用于汽車系統(tǒng)（表2） 惡劣的工況環(huán)境。

表2 電阻式壓力傳感器在汽車上的主要應(yīng)用

4 結(jié)束語

汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)已經(jīng)在加快發(fā)展，減小和歐美日韓之間的差距。同時(shí)作為汽車工業(yè)的核心零部件之一的傳感器也在快速發(fā)展，文中幾種典型技術(shù)的壓力傳感器市場，不僅有國際知名的企業(yè)，如Bosch、Conti、Sensata、NXP、Infineon、TE等，也有國內(nèi)的企業(yè)，如上海保隆、蘇州納芯微、昆山雙橋、無錫芯感智、重慶德爾森、湖南啟泰等。