微型硅壓阻式壓力傳感器研制*

王永洪， 張明義， 高 強， 王 鵬

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033； 2.藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心 青島理工大學，山東 青島 266033)

微型硅壓阻式壓力傳感器研制*

王永洪1,2， 張明義1,2， 高 強1， 王 鵬1

(1.青島理工大學土木工程學院，山東青島266033；2.藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心青島理工大學，山東青島266033)

結合多晶硅材料的壓力敏感特性，通過在硅膜片上沉淀多晶硅壓敏電阻及精密的微型化封裝工藝，設計了微型硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器。傳感器通過將硅膜片在壓力下的電阻值變化轉換為電信號輸出，通過標定實驗得出：傳感器的零點輸出小，動態頻響高，線性擬合度高，且適用于監測精度要求高的實際工程及受尺寸限制的室內模型試驗。

微型； 硅壓阻式； 土壓力； 孔隙水壓力

0 引 言

在巖土工程中土壓力和孔隙水壓力測試技術中，電測法測試中土壓力盒和水壓力計常被用作測試元件進行實時監測，電測法測試操作簡單、技術成熟，但因土壓力盒和水壓力計靈敏度低，測量范圍窄，動態頻響不高，尺寸也較大，難以滿足實際工程的長期健康監測要求[1～3]。

硅壓阻式傳感器解決了以往較難實現的測試要求[4～6]，本文利用多晶硅為彈性體，采用先進微型化制作工藝集成硅膜片作為敏感元件制成微型硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器，其靈敏度特性是金屬材料的50多倍，動態頻響高及測量范圍寬，尺寸最小可以達到5 mm，可以廣泛應用于巖土工程實際工程和室內試驗中。

1 多晶硅材料的壓阻效應

多晶硅材料受到外力的作用后，其電阻值發生變化的現象稱為壓阻效應。根據電阻R=ρL/A微分后可得[7]

(1)

式中R為多晶硅材料的電阻值，Ω；ρ為多晶硅材料的電阻率，Ω·mm2/m；L多晶硅材料的長度，m；A為多晶硅材料的截面積，mm2；υ為多晶硅材料的泊松系數；ε為多晶硅材料的應變。

應力也會引起多晶硅材料電阻率的變化。應力與電阻率相對變化、應力與應變的關系式

(2)

σ=Eε

(3)

由式(1)～式(3)可得

(4)

式中GF為應變系數，GF=1+2υ+ΠE。

根據式(4)可知，多晶硅材料的應變系數與1+2υ和ΠE兩個因素有關，因多晶硅材料受力后引起的幾何形變遠遠小于其引起的電阻率變化，其壓阻系數較大，1+2υ可以忽略不計，GF=72.4～149.6，而金屬材料的壓阻效應主要是材料幾何尺寸的變化引起的，其壓阻系數可以認為是零，=1.5～2.0，即多晶硅材料較金屬材料具有更高的靈敏度系數。

2 硅壓阻式壓力傳感器工作原理

硅壓阻式壓力傳感器采用先進微型化制作工藝集成硅壓力膜片作為敏感元件，利用多晶硅的壓阻效應，在壓力膜片上淀積的絕緣層二氧化硅上淀積制備4個多晶硅壓敏電阻，組成惠斯通電橋[8，9]。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖1所示，惠斯通電橋電路如圖2所示。

圖1 硅壓阻式壓力傳感器結構

圖2 惠斯通電橋電路

惠斯通電橋可以采用恒壓源或恒流源供電，硅膜片兩側產生壓力差使得橋臂的4個電阻器阻值亦發生變化，惠斯通電橋失去平衡，輸出的電壓為[6]

Vo=

(5)

式中VB為電源電壓，V；Vo為輸出電壓，V；R1=R3=R2=R4=R，則ΔRi=R·GF·εi，i=1,2,3,4，εi為第i個電阻器的應變值，于是有

(6)

傳感器設計時使4個電阻器應變值滿足ε1=ε3=-ε2=-ε4=ε，式(6)變為

Vo=GF·ε·VB

(7)

由式(7)可以看出，惠斯通電橋輸出與壓敏電阻器應變值呈線性關系的電壓，可以實現在外界壓力作用下輸出電壓的測量，電壓值亦與膜片的應變系數有關，膜片的應變系數和應變值越大，電橋輸出的壓力值越大，傳感器的靈敏度越高。

3 微型硅壓阻式壓力傳感器設計

3.1 微型硅壓阻式土壓力傳感器

微型硅壓阻式土壓力傳感器封裝結構如圖3所示，主要包括多晶硅膜片、絲網印刷線路和金屬外殼，多晶硅膜片作為受力面與絲網印刷線路之間留有空腔。微型硅壓阻式土壓力傳感器采用了減小零點漂移、電路簡單的恒壓源供電，引線側面出線便于安裝。

圖3 微型硅壓阻式土壓力傳感器封裝結構

3.2 微型硅壓阻式孔隙水壓力傳感器

微型硅壓阻式孔隙水壓力傳感器封裝結構如圖4所示，主要包括透水石、多晶硅膜片、絲網印刷線路及金屬外殼，其端部放置透水石與硅膜片之間留有空腔，孔隙水由透水石進入空腔內引起壓敏電阻的變化。微型硅壓阻式孔隙水壓力傳感器由于尺寸更小，為了消除溫度對電橋輸出的影響，采用了恒流源的供電方式，引線由傳感器底部引出。

圖4 微型硅壓阻式孔隙水壓力傳感器封裝結構

微型硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器硅膜片上4只電阻器之間通過絲網印刷線路連接，并用金屬外殼進行精細的微型封裝[10，11]，土壓力傳感器尺寸為10 mm×6 mm(直徑×高度)，孔隙水壓力傳感器尺寸為8 mm×15 mm(直徑×高度)，微型硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器如圖5所示。

圖5 微型硅壓阻式壓力傳感器

4 傳感器標定試驗與結果分析

對量程為0～500 kPa硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器進行測試，傳感器在上行程和下行程每一個壓力測試點下的工作特性曲線如圖6所示。根據傳感器的靜態特性技術指標，計算硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器的主要性能參數如表1所示。

圖6 2種硅壓阻式壓力傳感器工作特性曲線

根據圖6可以看出:2種傳感器在0～500 kPa量程范圍內線性良好，可以得到其靈敏度和零點輸出：硅壓阻式土壓力傳感器的靈敏度為3.495 mV/V/kPa，硅壓阻式孔隙水壓力傳感器的靈敏度為2.972 mV/V/kPa，在整個壓力測試范圍內，硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器的零點輸出分別為3.99，4.33 mV，零點輸出很小，說明所制備的多晶硅膜壓敏電阻較匹配。

5 結 論

設計了基于多晶硅壓敏電阻效應的硅壓阻式土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，將硅膜片上所受的土壓力和孔隙水壓力轉換為電信號變化值，通過標定實驗表明：傳感器的壓力動態頻響高，線性擬合度高，尺寸小，適用于對監測精度要求高的實際工程，尤其適用于受尺寸限制的室內模型試驗。

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Researchandfabricationofmicrosiliconpiezoresistivepressuresensor*

WANG Yong-hong1,2, ZHANG Ming-yi1,2, GAO Qiang1, WANG Peng1

(1.SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China;2.CollaborativeInnovationCenterofEngineeringConstructionandSafetyinShandongBlueEconomicZone,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China)

Combining pressure sensitive properties of polysilicon by depositting,polysilicon pressure sensitive resistance on Si diaphragm and precise micro packaging technology,micro silicon piezoresistive soil pressure and pore water pressure sensors is designed.The resistance change of the polysilicon diaphragm under pressure is transformed to electric signal output.Through calibration experiments,it is shown that the zero point output of the sensor is small,dynamic frequency response and linear fitting degree are high,which is suitable for high precision practical engineering and dimensional limit of indoor model test.

micro; silicon piezoresistive; soil pressure; pore water pressure

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0106—03

TP 216

A

1000—9787(2017)11—0106—03

2017—09—25

國家自然科學基金資助項目(51778312，41502304)；山東省重點研發計劃資助項目(GG201703200019)；山東省自然科學基金青年科學基金資助項目(ZR2016EEP06)

王永洪( 1984-) ，男，博士研究生，主要研究方向為土力學與樁基礎工程。