技术科普：压阻式压力传感器

在传感器行业中，力、温度、流量是应用最为广泛的几种传感器。在当今快节奏的人类社会里，因科学及工程技术的高速发展，在不同的行业技术应用中对经典物理量的监测相比以往都出现了更高的频次和不同维度的应用需求。在本文中，通过对压阻式压力传感器技术、应用、产品的解析，就一些相关原理与概念做一个分享。
 
压力传感器
 
在测量上所称“压力”就是物理学中的“压强”，反应物质状态的一个重要参数。在压力测量中，有表压、绝压（绝对压力）、负压、真空度之分。在工业中所用的压力指示值大多为表压，即绝对压力和大气压力的差值，所以绝压就是表压和大气压的和。若测量压力低于大气压，则称为负压或真空度。
 
测量压力的传感器在工作原理上分为压阻式压力传感器、压电式压力传感器、压磁式压力传感器、电容式压力传感器、霍尔式压力计等。
 
压阻式压力传感器
 
半导体应变片式传感器在实际应用中被称为压阻式压力传感器，压阻式压力传感器在早期利用半导体应变片粘贴在弹性体上制成。上世纪70年代后期，研制出了周边固定的力敏电阻和硅膜一体化的扩散型压阻式压力传感器，克服了粘贴带来的滞后、蠕变及固有频率较低和集成化困难的缺点，且把应变电阻条和误差补偿、信号调理等电路集成在一块硅片上。
 
压阻式压力传感器的主要特点是结构尺寸小、重量轻、易集成，拥有超高的灵敏度和分辨率，适合对微小压力进行检测。但由于它采用半导体硅材料制成，对温度敏感，如不采用温度补偿，温度误差会很大。
 
压阻式压力传感器应用
 
由于压阻式压力传感器具备一系列优点，在航天、航海、石油化工、医疗设备、气象、军事装备中都得到了广泛应用。

2020年新冠病毒在全球蔓延，全球市场对呼吸机、制氧机、血压计等医疗设备的需求呈井喷式爆发，其中压阻式压力传感器就是呼吸机中的关键部件。在家用型呼吸机、医疗型呼吸机、高精度血压计等应用中，压阻式压力传感器一度出现了供不应求、甚至断货的情况。
 
压阻式压力传感器产品

压阻式压力传感器工艺复杂，对传感器的制造工艺要求苛刻。当前市场上国产产品较少，多为进口。所幸国产产品虽少，但不是没有，而且就性能参数与技术实力来看，并不比进口产品差。下面列举两款比较典型的压阻式压力传感器的技术参数进行客观的对比和说明。

恩智浦（NXP）MPXV5010DP

 
西人马（FATRI）TYZV16-010-000-201

压力范围
 
0~10kPa的压力量程属于一个比较小的压力测量范围，在实际应用中，量程范围的选择要比所用的量程稍大即可。此量程的产品适合大商业终端、消费电子、健康医疗类的应用。
 
工作温度
 
一般工业应用与集成电路系统的要求在-40℃~80℃之间，两款产品达到了-40℃~125℃的工作温度范围，能够满足大多数应用。
 
零点输出
 
在工作电压的激励下，理论上传感器空载时输出应为零，但实际上传感器空载时输出时是不稳定的，这就出现了一个偏差范围，此范围越小越好。两款产品零点输出控制的范围都很优异，能够提供相对好的可靠性和稳定性。
 
精确度
 
这里的精确度指的是非线性误差，非线性是指由空载荷的输出值和额定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷的实测曲线之间最大偏差对于额定输出值的百分比。非线性单位为%FS，非线性误差=量程×非线性。两款产品的最大误差在±5%，在实际的应用中，通常会在±5%以内，这个精度对于消费和商用是能够完全满足的。
 
过载压力
 
过载压力分为两种，一种为安全过载，安全过载是指在此载荷内不会对压力传感器造成破坏性损坏，但不能长期过载。另外一种为极限过载，是指压力传感器的极限临界负荷，超过极限即意味着传感器将会损坏。从该指标中可以看出西人马（FATRI）TYZV16在此项性能上表现不俗，优于进口品牌指标。
 
通过参数对比，两款产品的技术性能均表现优异，其中西人马（FATRI）在过载这一指标中，优于同类产品。两个产品的品牌，拥有不同的产品线和应用市场，在不同的方向上各有优势。
 
NXP Semiconductors（恩智浦半导体），原飞利浦半导体，1953年创立，是全球知名的传感器品牌。应用市场遍及汽车电子、家庭影音、健康医疗等多个领域。
 
FATRI 西人马（厦门）科技有限公司，是当前国内传感器领域的一匹黑马，拥有先进材料、芯片制造、精密传感器（加速度、温度、压力等）、测量设备等丰富和扎实的产品研发和制造能力。
 
任何一款传感器想要做好，都离不开对底层核心技术的开发和探索，独立的芯片设计和制造能力的高低，直接关系到传感器最终的性能和适用性。如西人马（FATRI）的产品，从企业公开信息中了解到，这家公司目前已经具备并掌握了芯片设计与制造技术。对于传感器企业来说，现在以及未来的市场，机会与挑战并存， 更多中国传感器企业在正确的方向上正大踏步前进。随着工业物联网、智能制造水平的提升，相信能够涌现出更多的优秀国产传感器企业和产品。