DYC型高频响压力传感器

压力传感器是应用比较广泛的一种传感器，它可以把水的流速、水深压力、各种场合下的气压（如汽车发动机气缸中的气压、采矿坑道里的气压等）以及爆炸冲击波的压力等这些非电量参数转换成电信号，并加以测量。如果把转换后的电信号送入计算机中，还可以实现自动控制。

测量静压力或变化缓慢的脉动压力的传感器称之为“静态”或“低频响”压力传感器。为了测量爆炸冲击波一类的在极短时间内急剧变化的具有很丰富频谱的压力，则需要具有很宽的通频带和极快的响应时间的压力传感器，我们把这种压力传感器称为“动态”或“高频响”压力传感器。当然，高频响压力传感器也完全能够胜任低频响压力传感器的工作。

DYC型压力传感器就是一种高频响压阻式压力传感器（D：动态即高频响，Y：压阻式，C：传感器）。所以叫压阻式，是因为其力敏元件的工作原理利用了半导体的压阻效应。

我们知道，任何一只电阻R的数值都可以用下式来表示

其中L是电阻的长度，S是电阻的横截面积，ρ是电阻率，也就是单位长度和单位横截面积的某种物质所具有的电阻值。对于金属丝和箔应变片来说，它们在外力的作用下将产生机械变形，也就是它们的L和S将发生变化，因而它们的阻值也随着发生变化。这种在外力作用下产生机械变形，因而使阻值发生变化的现象就称为“应变效应”。

用半导体材料作成的应变片，在外力作用下也会产生机械变形，并引起阻值的变化。但是，对于半导体材料来说，由于机械变形而引起的阻值变化极小，甚至可以忽略不计。半导体材料引起阻值变化的主要原因是电阻率ρ的变化。在外力作用下，ρ的变化很大，因此R的变化也很大。这种电阻率随外力而变化的现象称为半导体的“压阻效应”。DYC型高频响压力传感器就是利用半导体材料的压阻效应制作的。

DYC型压力传感器由两部分组成：灵敏元件和壳体。灵敏元件是扩散型硅杯式力敏器件，形状如图1所示。由于整个单晶硅片的形状像一个倒置的杯子，故称为“硅杯”式。硅杯中央（即杯底）是一个周边固定的圆形薄膜，这就是承受压力的部分。在这片圆形薄膜上制作了四个扩散电阻，它们的阻值都相等，即R\(_{1}\)=R2=R\(_{3}\)=R4。但是它们在薄片上的方向不同，其中R\(_{1}\)、R3方向一致，R\(_{2}\)、R4方向一致，而两者又互相垂直。为什么要这样作呢？原来硅单晶作为一种晶体具有各向异性的特点，当圆形薄片受到压力时，四个电阻的电阻率都将发生变化，因而它们的电阻值也都随着变化。但由于R\(_{1}\)、R3与R\(_{2}\)、R4的方向互相垂直，因此它们的变化情况并不一样，如果R\(_{1}\)、R3增加一个ΔR，则R\(_{2}\)、R4将减小一个ΔR。这四个电阻已由内部引线接成了惠斯登电桥（见图2），并分别在a、b、c、d四点引出四条引线。使用的时候，在a、b两线上接恒流源，在c、d两线上接毫伏表。当没有外力作用时，因为四个电阻阻值相等，电桥处于平衡状态，因此电桥输出为O；当圆形薄片受到外力作用时，因R\(_{1}\)、R3增加，R\(_{2}\)、R4减小，这就使电桥失去了平衡，于是在电源的作用下，电桥将有信号电压输出，由这个信号电压的大小便能推知所受压力的大小。

壳体由镀金的圆形管座和管帽组成。在管座和管帽上开有通气小孔，使被测压力（气压液压均可）与灵敏面接触。传感器的外形如图3所示，其中一种带有专供传感器用的四芯电缆线，可供接放大器使用；另一种不带电缆线，直接引出四个管腿，可以插接，也可以焊接使用。套有红色套管的两腿是输入端，接恒流源，套有黄色套管的两腿是输出端，可接放大器记录信号。恒流源电流定为2毫安。

使用DYC型传感器时，可将被测的两个压力分别通入管帽小孔和硅杯孔后的小管，这样可测到相对压差。如果把硅杯孔后的小管堵死，则可测得静压力。当然把小管通入大气的压力也可以。

DYC型传感器的灵敏元件是用半导体集成电路工艺技术制成的，故不宜长期在电解质溶液中使用，也不宜沾污和使用乙醇、丙酮之类的有机溶剂，以免破坏灵敏元件的表面涂覆剂。

一、国内近几年研制和生产的半导体扩散型压阻式压力传感器频响都比较低，大约在几千赫～几十千赫范围内，因此多作为低频响测量使用。DYC型压阻式压力传感器则是高频响压力传感器，它的工作频率高达1兆赫以上，因此能满足高频响的要求。

二、该传感器测量压力的范围较宽，可以测量小于1kg／cm\(^{2}\)的压力，也可测量大于100kg／cm2的压力。

三、灵敏元件的尺寸目前在国内是较小的，因而用它组装成的传感器体积小，重量轻，管帽直径仅有7mm，管座直径也只有10mm，全部重量约为3.5～4克。

四、传感器的结构简单，采用晶体管的形式，使用方便。而且既能单独使用，又可以装成其它结构形式，达到其他测量的目的。

五、研制DYC型传感器的工艺比较先进，采用了离子注入技术制造扩散电阻，在实际工艺过程中创造了双面同时光刻技术和化学腐蚀方法制作电桥和硅杯，用静电封接技术和低温玻璃烧结方法组装传感器，所以传感器的性能稳定，灵敏度高，测量误差也小。

DYC型传感器虽然是一种高频响压力传感器，但它不仅适用于高频响的动态测量，也适用于一般低频响压力测量，因此用途比较广泛。下面简单介绍几个应用实例。

测量冲击波的压力。在国防工业上，为防化学爆炸，就必须加强防护工程的结构设计和检测防护能力，这就需要测出爆炸时的冲击波超压——时间曲线。冲击波的前沿时间大约为毫微秒至微秒级，DYC型传感器因为有很宽的通频带和极快的响应时间，因此能测量这种作用时间很短、前沿变化很陡的压力信号，测量精度也比较高。冲击波的压力用一般低频响压力传感器不能测量。

测充气电缆的充气压力。充气电缆中充满空气介质，而且对其压力有一定的要求。如果电缆某一部分漏气，则将无法正常工作。用压力传感器来监测气压的变化情况，就能够在电话局里集中地、连续地监测各条充气电缆的压力情况，及时地找出漏气线段，非常方便。

测量通气管道、坑道的气压。一般矿井坑道由地面上的送气室输送新鲜空气，但一些坑道里没有气压计量设备，气压大小，送气多少只靠人的感觉来定，感觉气量不够了，就用电话通知送气室送气，这样不利于安全生产。如果在坑道口或内部装上小巧的压力传感器，就可以随时从地面上观察坑道内的气压情况，并能随时调整送气量，因此能保证安全生产。

此外，DYC型压力传感器还能测量飞机飞行时空气对飞机的阻力，测量水压，甚至还能测量人体血液的压力等等。随着四个现代化的发展，DYC型传感器的用途将会越来越广泛。（北京邮电508厂 赵慧兰）