微型硅压阻式压力传感器研制*

王永洪， 张明义， 高 强， 王 鹏

(1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033； 2.蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心 青岛理工大学，山东 青岛 266033)

微型硅压阻式压力传感器研制*

王永洪1,2， 张明义1,2， 高 强1， 王 鹏1

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033；2.蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心青岛理工大学，山东青岛266033)

结合多晶硅材料的压力敏感特性，通过在硅膜片上沉淀多晶硅压敏电阻及精密的微型化封装工艺，设计了微型硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器。传感器通过将硅膜片在压力下的电阻值变化转换为电信号输出，通过标定实验得出：传感器的零点输出小，动态频响高，线性拟合度高，且适用于监测精度要求高的实际工程及受尺寸限制的室内模型试验。

微型； 硅压阻式； 土压力； 孔隙水压力

0 引 言

在岩土工程中土压力和孔隙水压力测试技术中，电测法测试中土压力盒和水压力计常被用作测试元件进行实时监测，电测法测试操作简单、技术成熟，但因土压力盒和水压力计灵敏度低，测量范围窄，动态频响不高，尺寸也较大，难以满足实际工程的长期健康监测要求[1～3]。

硅压阻式传感器解决了以往较难实现的测试要求[4～6]，本文利用多晶硅为弹性体，采用先进微型化制作工艺集成硅膜片作为敏感元件制成微型硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器，其灵敏度特性是金属材料的50多倍，动态频响高及测量范围宽，尺寸最小可以达到5 mm，可以广泛应用于岩土工程实际工程和室内试验中。

1 多晶硅材料的压阻效应

多晶硅材料受到外力的作用后，其电阻值发生变化的现象称为压阻效应。根据电阻R=ρL/A微分后可得[7]

(1)

式中R为多晶硅材料的电阻值，Ω；ρ为多晶硅材料的电阻率，Ω·mm2/m；L多晶硅材料的长度，m；A为多晶硅材料的截面积，mm2；υ为多晶硅材料的泊松系数；ε为多晶硅材料的应变。

应力也会引起多晶硅材料电阻率的变化。应力与电阻率相对变化、应力与应变的关系式

(2)

σ=Eε

(3)

由式(1)～式(3)可得

(4)

式中GF为应变系数，GF=1+2υ+ΠE。

根据式(4)可知，多晶硅材料的应变系数与1+2υ和ΠE两个因素有关，因多晶硅材料受力后引起的几何形变远远小于其引起的电阻率变化，其压阻系数较大，1+2υ可以忽略不计，GF=72.4～149.6，而金属材料的压阻效应主要是材料几何尺寸的变化引起的，其压阻系数可以认为是零，=1.5～2.0，即多晶硅材料较金属材料具有更高的灵敏度系数。

2 硅压阻式压力传感器工作原理

硅压阻式压力传感器采用先进微型化制作工艺集成硅压力膜片作为敏感元件，利用多晶硅的压阻效应，在压力膜片上淀积的绝缘层二氧化硅上淀积制备4个多晶硅压敏电阻，组成惠斯通电桥[8，9]。硅压阻式压力传感器结构如图1所示，惠斯通电桥电路如图2所示。

图1 硅压阻式压力传感器结构

图2 惠斯通电桥电路

惠斯通电桥可以采用恒压源或恒流源供电，硅膜片两侧产生压力差使得桥臂的4个电阻器阻值亦发生变化，惠斯通电桥失去平衡，输出的电压为[6]

Vo=

(5)

式中VB为电源电压，V；Vo为输出电压，V；R1=R3=R2=R4=R，则ΔRi=R·GF·εi，i=1,2,3,4，εi为第i个电阻器的应变值，于是有

(6)

传感器设计时使4个电阻器应变值满足ε1=ε3=-ε2=-ε4=ε，式(6)变为

Vo=GF·ε·VB

(7)

由式(7)可以看出，惠斯通电桥输出与压敏电阻器应变值呈线性关系的电压，可以实现在外界压力作用下输出电压的测量，电压值亦与膜片的应变系数有关，膜片的应变系数和应变值越大，电桥输出的压力值越大，传感器的灵敏度越高。

3 微型硅压阻式压力传感器设计

3.1 微型硅压阻式土压力传感器

微型硅压阻式土压力传感器封装结构如图3所示，主要包括多晶硅膜片、丝网印刷线路和金属外壳，多晶硅膜片作为受力面与丝网印刷线路之间留有空腔。微型硅压阻式土压力传感器采用了减小零点漂移、电路简单的恒压源供电，引线侧面出线便于安装。

图3 微型硅压阻式土压力传感器封装结构

3.2 微型硅压阻式孔隙水压力传感器

微型硅压阻式孔隙水压力传感器封装结构如图4所示，主要包括透水石、多晶硅膜片、丝网印刷线路及金属外壳，其端部放置透水石与硅膜片之间留有空腔，孔隙水由透水石进入空腔内引起压敏电阻的变化。微型硅压阻式孔隙水压力传感器由于尺寸更小，为了消除温度对电桥输出的影响，采用了恒流源的供电方式，引线由传感器底部引出。

图4 微型硅压阻式孔隙水压力传感器封装结构

微型硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器硅膜片上4只电阻器之间通过丝网印刷线路连接，并用金属外壳进行精细的微型封装[10，11]，土压力传感器尺寸为10 mm×6 mm(直径×高度)，孔隙水压力传感器尺寸为8 mm×15 mm(直径×高度)，微型硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器如图5所示。

图5 微型硅压阻式压力传感器

4 传感器标定试验与结果分析

对量程为0～500 kPa硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器进行测试，传感器在上行程和下行程每一个压力测试点下的工作特性曲线如图6所示。根据传感器的静态特性技术指标，计算硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器的主要性能参数如表1所示。

图6 2种硅压阻式压力传感器工作特性曲线

根据图6可以看出:2种传感器在0～500 kPa量程范围内线性良好，可以得到其灵敏度和零点输出：硅压阻式土压力传感器的灵敏度为3.495 mV/V/kPa，硅压阻式孔隙水压力传感器的灵敏度为2.972 mV/V/kPa，在整个压力测试范围内，硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器的零点输出分别为3.99，4.33 mV，零点输出很小，说明所制备的多晶硅膜压敏电阻较匹配。

5 结 论

设计了基于多晶硅压敏电阻效应的硅压阻式土压力传感器和孔隙水压力传感器，将硅膜片上所受的土压力和孔隙水压力转换为电信号变化值，通过标定实验表明：传感器的压力动态频响高，线性拟合度高，尺寸小，适用于对监测精度要求高的实际工程，尤其适用于受尺寸限制的室内模型试验。

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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

国家自然科学基金资助项目(51778312，41502304)；山东省重点研发计划资助项目(GG201703200019)；山东省自然科学基金青年科学基金资助项目(ZR2016EEP06)

王永洪( 1984-) ，男，博士研究生，主要研究方向为土力学与桩基础工程。