圆形硅膜片核心结构

圆形硅膜片核心结构

定义

圆形硅膜片是电阻式差压传感器的核心结构，通常采用单晶硅（n型或p型）通过微机械加工技术（如各向异性腐蚀）制成。膜片厚度通常在几微米到几十微米，直径从几百微米到几毫米不等，其边缘固定于硅基座，中心区域可自由变形。

作用

当膜片两侧承受不同压力（差压）时，膜片发生弹性形变，产生径向和切向应力。利用硅的压阻效应，在膜片上特定位置（如边缘和中心）扩散或注入杂质形成压敏电阻，应力导致电阻率变化，从而改变电阻值。通常将四个电阻连接成惠斯通电桥，将差压信号转换为电压输出。

工程理解

• 灵敏度与量程：膜片尺寸（半径r、厚度h）决定灵敏度（S ∝ r²/h²）和满量程压力。厚度越小，灵敏度越高，但耐压能力降低。
• 电阻布局：利用应力分布差异，通常在膜片边缘布置径向应力敏感电阻（正应力区），中心布置切向应力敏感电阻（负应力区），形成差动输出，提高线性度和灵敏度。
• 关键公式：压阻效应表示为 ΔR/R = πₗσₗ + πₜσₜ，其中πₗ、πₜ为纵向和横向压阻系数，σₗ、σₜ为相应应力分量。对于圆形膜片，应力分布可通过弹性力学公式计算：
• 径向应力 σᵣ = (3P/8h²)(r² - 3x²) （P为差压，x为距中心距离）
• 切向应力 σₜ = (3P/8h²)(r² - x²)
• 材料特性：单晶硅具有优良的弹性性能和稳定的压阻系数，温度补偿可通过桥路设计和集成温敏电阻实现。