压力传感器是指能测量压力信号的器件、模块或子系统,其能将压强的变化转换成电信号。1938 年,美国加州理工大学的 E.E. Simmons 设计了纸基丝绕式电阻应变计。1969年,Hans W. Keller 采用集成电路工艺设计和批量制造了硅半导体压力传感器。
压力传感器按照参考压力分为表计压型、绝压型和差压型三种。表计压型传感器(Gauge Pressure Sensor)用于测量参考大气压力,绝压型传感器(Absolute Pressure Sensor)用于测量参考真空压力,差压型传感器 (Differential Pressure Sensor)用于测量两个测量端的压强差。
按照被测量压力的信号变化快慢,压力传感器分为静态压力传感器和动态压力传感器。静态压力传感器适用于变化频率在几十赫以内的静态及准静态压力测量。动态压力传感器适用于变化速度较快的压力的测量,动态压力传感器的参数中一般还包括频响特性、固有频率、响应时间。依据传感器的工作原理,动态压力传感器主要有硅压阻式和压电式两种,静态及准静态压力传感器主要有硅压阻式、压电式、硅电容式,金属电容式、陶瓷电容式、硅谐振式、石英晶体谐振式、溅射薄膜应变式等类型。
依据测量环境温度的差异,压力传感器分为高温压力传感器和普通温度压力传感器。高温压力传感器通常指工作温度在 130℃以上的压力传感器。高温压力传感器的种类包括溅射薄膜压力高温传感器、SOI高温压力传感器、硅-蓝宝石高温压力传感器和压电式高温压力传感器。压电式高温压力传感器的工作温度可达 175℃。SOI 高温压力传感器和硅-蓝宝石高温压力传感器的工作温度可达 350°C以上。
依据感应工作原理,压力传感器可分为电容压力传感器、压阻式压力传感器和谐振式压力传感器。其中硅电容压力传感器、硅压阻式压力传感器和硅谐振式压力传感器的精度非常高,可以达到万分之一。硅谐振式压力传感器的工作原理是,将硅膜片感受的压力大小变化转变成硅谐振梁的谐振频率变化,通过测量谐振频率来测量压力值。硅谐振式压力传感器的工作模式有静电激振和电磁力激振两种。硅谐振式压力传感器非常适合用于高精度压力检测。
硅半导体压力传感器具有性能高、成本低、用途广等特点,是目前广泛应用的压力传感器产品;其芯片质量可小于 0.01g,量程可以几千帕到几百兆帕。
压力传感器的主要发展方向是高精度、耐高温、集成化。在集成化方面,单片集成技术虽然已经经历了 20余年的发展,但是产品仍然偏重于低量程、中等精度的应用,如主要在汽车及民用方面获得了较多应用,目前在高温领域的应用方面还没有取得根本性突破。