压阻式传感器依赖于当材料的电阻随施加的机械应变而变化时产生的压阻效应。在金属中,当金属随外界施加的力的变化,产生微小的机械形变,这种形变会导致金属电阻值的微小变化,这种效应就就叫压阻效应。硅中的压阻效应主要是由于原子层面上的变化,它比金属中的压阻效应大两个数量级。当施加应力时,硅中载流子的平均有效质量增加或减少(取决于应力的方向、晶体方向和电流的方向)。这种变化改变了硅的载流子流动能力,从而改变了硅的电阻率。当压阻传感器置于惠斯通电桥结构中,并连接到压敏膜片时,电阻的变化被转换为与施加的压力成比例的电压输出。压电传感器依赖于压电效应,当晶体在应力作用下重新定向形成内部偏振时就会发生压电效应。这种极化导致晶体表面产生与施加的应力成比例的电荷。

石英、电气石和其他几种天然晶体都具有压电效应。当压电材料与合适的受力装置耦合后,就会产生与所施加的力成比例的电荷。特殊配方的陶瓷可以被人为极化成比天然晶体灵敏度高100倍以上的压电材料。与应变片传感器不同,压电传感器不需要外部激励。这些传感器表现出高输出阻抗和低信号水平,因此,压电器件需要在测量回路中使用低噪声同轴电缆和电荷放大器等特殊设备。
所有的压电传感器都是不需要外部激励电源的,可以根据施加的应力产生相应比例的电势(电荷)。一些压电传感器的设计包含内置在传感器体内的集成前置放大器,被称为电压型压电传感器。以这种方式设计的传感器被称为IEPE(集成电子压电传感器)。输出内部放大和阻抗大大降低,从而简化了信号调理。所有压电式压力传感器都有一个固有的低频衰减,这取决于外部信号调理的低频时间常数。因此,它们不适用于直流或稳态条件。
压阻式传感器以前和现在都是用硅制造。老一代压阻式传感器利用了传感器网络和基于p-n结的块状底层硅之间的隔离技术。在这些器件中,单个压阻测量元件是通过p型掺杂剂(如硼)扩散到n型衬底材料(其中电子是主要载流子)中来创建的。虽然这些器件在低温下是准确和可靠的,但p-n结隔离在温度高于350°F时就会失效。多年前,Kulite开始用(SOI)基于绝缘体上的硅技术取代p-n结方法。SOI技术通过使用二氧化硅的非导电隔离层,使传感元件与衬底绝缘,并彼此绝缘。这使得可预测和可重复的传感器行为范围从低温一直到1000°F以上。可广泛应用于各类发动机测试。
微型压阻式和压电式压力传感器都支持高频压力的测量,并表现出宽的动态信号范围。但Kulite压阻式SOI器件是真正的固态器件,因为受力装置和传感元件都是整体硅晶体结构的一部分。压电传感器是一种混合结构,它将传感元件机械连接到受力装置上,两部分不是一个整体。这两种类型的传感器都可以提供卓越的耐久性,良好的重复性,和低滞后。都支持在高温下(>250°F)的压力测量,前提是放大器等集成电路要远离过高的温度。
压阻与压电技术的比较
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| 探针式;螺纹式;片式 | 探针式;螺纹式 |
尺寸 | 探针式:直径1.4mm 片式:0.64mm | 探针式:4.8mm |
过载能力 | 2倍 到50倍 | 2倍 到50倍 |
加速度灵敏度 | " 0.00015 PSI/g | " 0.002 PSI/g |
工作温度范围 (未加放大器) | -195.5℃ 到 +538 ℃ | -195.5℃ 到 +560 ℃ |
工作温度范围 (加放大器) | -73℃ 到 +204 ℃ | -73℃ 到 +135 ℃ |
静压测量能力 | 有 | 没有 |
动态响应 | 上升时间≦1μs | 上升时间≦2μs |
输出灵敏度 (未加放大器) | 100 mV FS 典型值 | 充电输出 25pC/Bar typical |
输出灵敏度 (加放大器) | 0 to 5/10 V, 4-20 mA | IEPE + 5V |
漂移 | " 0.1% FS/年 | " 0.5% FS/年 |
总误差(全温范围) | " + 0.1% FS 典型值 | " ±1% FS 典型值 |
动态范围 (dB) | > 100 dB | > 100 dB |
温度系数
| ± 0.001 - 0.01% FS/ºF | ± 0.03 - 0.2% FS/ºF |
布线要求 | 4线屏蔽线缆或双绞线(价格低) | 低噪声线缆 (价格高) IEPE 同轴电缆(价格低) |
激励要求(未放大型) | 2-15 V 10VDC典型值 | 不需要激励 |
激励要求(放大型) | 3.3 -36 V(任意值) | 2 -20mA (恒流源) |