微型硅壓阻式壓力傳感器研制*

王永洪， 張明義， 高 強(qiáng)， 王 鵬

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033； 2.藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心 青島理工大學(xué)，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(qiáng)1， 王 鵬1

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島266033；2.藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心青島理工大學(xué)，山東青島266033)

結(jié)合多晶硅材料的壓力敏感特性，通過(guò)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(shè)計(jì)了微型硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器。傳感器通過(guò)將硅膜片在壓力下的電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得出：傳感器的零點(diǎn)輸出小，動(dòng)態(tài)頻響高，線性擬合度高，且適用于監(jiān)測(cè)精度要求高的實(shí)際工程及受尺寸限制的室內(nèi)模型試驗(yàn)。

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(cè)試技術(shù)中，電測(cè)法測(cè)試中土壓力盒和水壓力計(jì)常被用作測(cè)試元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，電測(cè)法測(cè)試操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但因土壓力盒和水壓力計(jì)靈敏度低，測(cè)量范圍窄，動(dòng)態(tài)頻響不高，尺寸也較大，難以滿足實(shí)際工程的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)要求[1～3]。

硅壓阻式傳感器解決了以往較難實(shí)現(xiàn)的測(cè)試要求[4～6]，本文利用多晶硅為彈性體，采用先進(jìn)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(dòng)態(tài)頻響高及測(cè)量范圍寬，尺寸最小可以達(dá)到5 mm，可以廣泛應(yīng)用于巖土工程實(shí)際工程和室內(nèi)試驗(yàn)中。

1 多晶硅材料的壓阻效應(yīng)

多晶硅材料受到外力的作用后，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。根據(jù)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(zhǎng)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(shù)；ε為多晶硅材料的應(yīng)變。

應(yīng)力也會(huì)引起多晶硅材料電阻率的變化。應(yīng)力與電阻率相對(duì)變化、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式

(2)

σ=Eε

(3)

由式(1)～式(3)可得

(4)

式中GF為應(yīng)變系數(shù)，GF=1+2υ+ΠE。

根據(jù)式(4)可知，多晶硅材料的應(yīng)變系數(shù)與1+2υ和ΠE兩個(gè)因素有關(guān)，因多晶硅材料受力后引起的幾何形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其引起的電阻率變化，其壓阻系數(shù)較大，1+2υ可以忽略不計(jì)，GF=72.4～149.6，而金屬材料的壓阻效應(yīng)主要是材料幾何尺寸的變化引起的，其壓阻系數(shù)可以認(rèn)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(shù)。

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(jìn)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(yīng)，在壓力膜片上淀積的絕緣層二氧化硅上淀積制備4個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(cè)產(chǎn)生壓力差使得橋臂的4個(gè)電阻器阻值亦發(fā)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(gè)電阻器的應(yīng)變值，于是有

(6)

傳感器設(shè)計(jì)時(shí)使4個(gè)電阻器應(yīng)變值滿足ε1=ε3=-ε2=-ε4=ε，式(6)變?yōu)?/p>

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(yīng)變值呈線性關(guān)系的電壓，可以實(shí)現(xiàn)在外界壓力作用下輸出電壓的測(cè)量，電壓值亦與膜片的應(yīng)變系數(shù)有關(guān)，膜片的應(yīng)變系數(shù)和應(yīng)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(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括多晶硅膜片、絲網(wǎng)印刷線路和金屬外殼，多晶硅膜片作為受力面與絲網(wǎng)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(diǎn)漂移、電路簡(jiǎn)單的恒壓源供電，引線側(cè)面出線便于安裝。

圖3 微型硅壓阻式土壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括透水石、多晶硅膜片、絲網(wǎng)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(jìn)入空腔內(nèi)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(duì)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(jié)構(gòu)

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(guò)絲網(wǎng)印刷線路連接，并用金屬外殼進(jìn)行精細(xì)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(biāo)定試驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)量程為0～500 kPa硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，傳感器在上行程和下行程每一個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)下的工作特性曲線如圖6所示。根據(jù)傳感器的靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器的主要性能參數(shù)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(jù)圖6可以看出:2種傳感器在0～500 kPa量程范圍內(nèi)線性良好，可以得到其靈敏度和零點(diǎn)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(gè)壓力測(cè)試范圍內(nèi)，硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器的零點(diǎn)輸出分別為3.99，4.33 mV，零點(diǎn)輸出很小，說(shuō)明所制備的多晶硅膜壓敏電阻較匹配。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于多晶硅壓敏電阻效應(yīng)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(zhuǎn)換為電信號(hào)變化值，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表明：傳感器的壓力動(dòng)態(tài)頻響高，線性擬合度高，尺寸小，適用于對(duì)監(jiān)測(cè)精度要求高的實(shí)際工程，尤其適用于受尺寸限制的室內(nèi)模型試驗(yàn)。

[1] 李世海,魏作安,張俊紅,等.光纖光柵傳感技術(shù)在抗滑樁模型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(3):84-85.

表1 傳感器性能測(cè)試數(shù)據(jù)

[2] 辛 建,劉志強(qiáng),韓高彬.FBG 傳感器在PHC管樁豎向靜載試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(8):154-157.

[3] 章征林,王 源,李小雷,等.FBG傳感技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].光電子·激光,2016,27(8):838-844.

[4] 崔光浩,聞 化,雷 鋼,等.高精度無(wú)油封壓力傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(11):55-56.

[5] 李 亮，杜利東，趙 湛,等.數(shù)字氣壓傳感器的一種高效標(biāo)定和補(bǔ)償方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(11):45-47.

[6] 張 娜,唐 慧,梁 峭,等.耐低溫氣象壓阻傳感器研制[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(8):119-120.

[7] 蔣小燕.基于MAX1457的硅壓阻式傳感器只能補(bǔ)償與標(biāo)定系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué),2006.

[8] 胡 明,馬家志,鄒 俊,等.微機(jī)械加工技術(shù)在微傳感器中的應(yīng)用[J].壓電與聲光,2002,24(4):268-302.

[9] 杜春暉,何常德,葛曉洋,等.MEMS壓阻式加速度傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光,2012,34(6):848-852.

[10] 陸學(xué)斌.多晶硅納米薄膜壓阻特性及其壓力傳感器應(yīng)用研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[11] 宛克敬,何常德,廉德欽,等.MEMS壓阻超聲傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].壓電與聲光,2012,34(5):728-731.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778312，41502304)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(GG201703200019)；山東省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEP06)

王永洪( 1984-) ，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥亮W(xué)與樁基礎(chǔ)工程。