MEMS(微機電系統)壓力傳感器能將微小的壓力變化轉化為可測量的電信號,其核心在于壓力敏感元件與信號轉換電路的精密配合。根據工作原理,主要分為壓阻式和電容式兩大類。
壓阻式:應力應變,電阻變化
這是目前應用廣泛的一類。其核心是一個硅基薄膜(壓力敏感膜片),并在其表面特定位置通過半導體工藝注入雜質,形成四個壓阻元件,通常連接成惠斯通電橋。
無壓力時:薄膜平整,四個電阻阻值相等,電橋處于平衡狀態,輸出為零。
施加壓力時:薄膜發生微小形變,貼附于其上的壓阻元件隨之承受應力。根據壓阻效應,硅的電阻率會因應力而改變:位于薄膜邊緣的電阻受拉應力,阻值增大;位于中心的電阻受壓應力,阻值減小。
電橋輸出:這種差動變化打破了電橋的平衡,輸出一個與壓力呈良好線性關系的差分電壓信號。由于壓阻效應靈敏度高,且硅材料的機械強度優異,這種設計可測量從幾帕到幾百兆帕的壓力范圍。
電容式:極板間距,電容變化
電容式傳感器同樣利用壓力敏感膜片,但檢測的是電容值的變化。它由固定電極與可動電極(即壓力敏感膜片)構成一個平行板電容器。
施加壓力時:膜片受力變形,向固定電極靠攏,兩極板間的距離減小。
電容量變化:根據電容公式,極距減小導致電容量增加。通過專用的信號調理電路(如C-V轉換電路)將此電容變化檢測并轉換為電壓或頻率信號輸出。這種方式的優勢在于靈敏度高、功耗極低,且溫度特性優良。
完整的信號鏈路
無論是壓阻式還是電容式,傳感器內部都集成了完整的信號調理鏈路。微弱的敏感信號(毫伏級電壓或皮法級電容變化)首先被儀表放大器或C-V轉換器提取并放大,隨后可能經過模數轉換器數字化,最后由數字接口(如I²C、SPI)輸出可直接供微控制器讀取的壓力值。
現代MEMS壓力傳感器還會在芯片上集成溫度傳感器,用于實時校正溫度變化對測量精度的影響,從而在寬溫域內保持穩定性能。正是這種將敏感元件與信號處理電路集成于同一微小芯片的設計,使得MEMS壓力傳感器能以極小的體積、極低的功耗,廣泛應用于智能手機、醫療設備、汽車胎壓監測及工業自動化等眾多領域。
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