1、318 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用变式传感器的核心部分，使输出信号更稳定。常航等3将弹性材料应用在应电片上，设计了柔性应变式压力传感器，用于微小力测量。谭苗苗4以蓝宝石作为弹性膜片和溅射合金薄膜为应变电阻设计出耐高温压力传感器，可用于高温测量环境。1.2 电容式压力传感器电容式压力传感器是由两个平行的电极与中间介电层构成（图2）。传感器的薄膜受力发生形变，导致上下电极距离改变，使电容量发生变化，通过测量电容量变化值可测出压力。目前电容式压力传感器的研究集中在电容结构设计。张鉴等5将接触式微机械电容压力传感器中可
2、动极板的活动空腔部变换为球冠状结构，提高了传感器的线性度。0 引言压力传感器是工程行业中常用的传感器，是按照一定规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，通常由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。压力传感器具有小巧轻便、灵敏可靠、低成本和高稳定性等优点已应用在工业上，利用结构实现输入和输出信号进行转换的结构压力传感器更是被广泛使用，发展势头迅猛，应用前景广阔。1 研究背景结构压力传感器现状。结构压力传感器是利用敏感元件结构的受压变形，实现信号转化的传感器。目前结构压力传感器主要分为三类：（1）应变式电阻压力传感器，（2）电容式压力传感器，（3）谐振式压力传感器。1.1 应变式电阻压力传感
3、器电阻应变式压力传感器的原理是敏感元件受外力发生形变，导致应变电阻发生变化，通过惠斯通电桥来测量压力1。这类型传感器主要由敏感元件、补偿电阻、电阻应变计组成（图1）。目前应变式电阻压力传感器的研究集中在应变元件使用。杜志等2使用高弹性材料PDMS和液态金属结合作为应作者简介：黎浩松，佛山科学技术学院机电工程与自动化学院机械设计制造系，研究生；研究方向：控制工程。通信作者：黄斌，佛山科学技术学院机电工程与自动化学院机械设计制造系，讲师，博士；研究方向：增材制造、结构材料设计、智能装备制造。收稿日期：2022-04-24；修回日期：2022-12-22。摘要：阐述结构压力传感器的原理、性能指标、研
4、究进展，包括应变式电阻压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器，结构压力传感器在灵敏度、误差、温度补偿的性能评价与改进方法，探讨结构传感器在机器人领域和医疗健康领域的应用。关键词：压力传感器，谐振式，灵敏度，温度补偿。中图分类号：TP212 文章编号：1674-2583(2023)01-0318-03 DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.140文献引用格式：黎浩松，黄斌，伍土庆.结构压力传感器的应用进展J.集成电路应用,2023,40(01):318-320.结构压力传感器的应用进展黎浩松，黄斌，伍土庆（佛山科学技术学院 机电工程与自动化学院机械设
5、计制造系，广东 528225）Abstract This paper describes the principle,performance index and research progress of structural pressure sensor,including strain resistance pressure sensor,capacitive pressure sensor,resonant pressure sensor,performance evaluation and improvement methods of structural pressure senso
6、r in sensitivity,error and temperature compensation,and explores the application of structural sensor in the field of robotics and medical health.Index Terms pressure sensor,resonant type,sensitivity,temperature compensation.Progress of Structural Pressure Sensors in ApplicationLI Haosong,HUANG Bin,
7、WU Tuqing(Department of Mechanical Design and Manufacturing,School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation,Foshan University of Science and Technology,Guangdong 528225,China.)图1 应变式压力传感器Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 319陈瞳等6在介质层中添加碳酸氢铵材料，提高了敏感度，拓宽了压力检测范围。Cho
8、wdhury等7对PDMS材料的介电层进行多孔处理，提高了压力响应效果。1.3 谐振式压力传感器谐振式压力传感器的原理是将压力变化转换为频率信号。当传感器受力时，敏感结构的等效刚度改变，导致谐振元件固有频率变化，通过测量变化值，可获得压力数值。谐振式压力传感器是由封装层、谐振层和敏感层组成（图3）。目前谐振式压力传感器的研究主要是结构和材料。黄崇勇8利用H型谐振梁、敏感薄膜和硅岛作为主要敏感结构，设计出谐振式MEMS压力传感器。许高斌等9在谐振器的固定端上设计悬置扭转结构，减少传感器在受压形变时谐振器高度变化的影响。樊尚春等10利用石墨烯为材料制作谐振梁，设计了石墨烯谐振式压力传感器。2 结构
9、压力传感器的性能评价及改进方法结构压力传感器的种类繁多，性能差异较大。为此，行业对压力传感器定下包括量程、灵敏度、非线性、重复性、温度补偿等参数指标。但由于受技术条件限制，结构性压力传感器的性能研究集中在灵敏度、误差及温度补偿。2.1 灵敏度灵敏度是指传感器在稳定工作时的输出和输入变化量之比，是判断传感器性能的重要指标。为改善灵敏度，徐先亮等11对传感器的介电层进行圆孔处理，通过对比发现其灵敏度优于未进行圆孔处理的传感器。孔德义等12通过比较梁膜结构谐振式压力传感器的膜片形状，发现面积相同的长方形膜片比正方形膜片具有更高的灵敏度。Yu等13通过双谐振器结构来优化传感器，扩大了测量范围和灵敏度。
10、Khan等14利用平面电感器和交叉电容器组合成无源LC压力传感器，提高了灵敏度，并且具备大范围的线性测量特点。2.2 误差误差指传感器在可测量范围内，输出值和理论值间的差值。减少误差的产生，可提高传感器的精度。目前降低传感器误差主要是通过改进算法的方式。王健等15提出FPGA测量频率算法，减少了测量误差并缩短了测试时间。刘晓蒙16等通过三次多项式的修正方法降低非线性误差，将非线性误差降低到0.35%。侯智昊等17利用硅MEMS微纳米加工技术设计制作了电容式差压压力传感器，通过最小二乘拟合法使测量误差小于0.4%FS。2.3 温度补偿在外界温度变化时，传感器会出现温度漂移现象而影响输出，需予以温
11、度补偿。目前对于结构压力传感器的温度补偿研究相对广泛。郭志君等18通过NSGA-&BP算法对传感器进行温度补偿，优化选取BP网络的初始权值和阈值，提高了传感器的零位温度系数。Kalinkina等19发现改变受力薄膜结构可减少温度变化过程中的传感器误差。Bu等20利用固定电容器作为层间互连结构设计出LC-C谐振式无线无源压力传感器，改善温度漂移和温度敏感性。3 结构压力传感器的应用拓展结构压力传感器除了被应用于传统工程行业外，也逐渐向新兴机械人行业和医疗健康领域发展。（1）机器人领域。压力传感器能为机器人提供受力信息，机器人可通过压力变化做出相应的指令，提高机器人的适用性能21。侯鹏飞等22将传
12、感器中的弹性敏感原件设计为轮辐式弹性体以检测输出力的大小，提高机械臂对环境的认识能力。郭炳延23通过电阻应变式压力传感器来测量机器人手臂受到的压力，用于检测机器人手臂的工作状态。（2）医疗健康领域。结构压力传感器是健康检测装置的重要组成部分，张加宏等24采用电阻应变传感器检测心脏跳动对人产生微弱震动的信号，获得到心率的变化。吴亮亮等25通过将电阻式薄膜压力传感器设计在鞋垫下来获取行走脚底的压力信息，图2 电容式压力传感器图3 谐振式压力传感器320 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用作为特定疾病的诊断和治疗参考。杜英魁
13、等26利用电阻式压力传感器和排布选择算法，获取集人体坐姿的数据，改善人们生活的不良习惯。4 结语目前，结构压力传感器仍存在不少难题，未来的工作将在传感器新型应变结构的研究，尤其是仿生结构及多孔结构的研究。另外，新型材料及算法的协调应用也是结构压力传感器的研究热点，需要集成机械、电子、材料及基础数学等多学科的交叉融合，及各学科学者们通力合作才能在将来取得关键性突破。参考文献1 孙辉,韩玉龙,姚星星.电阻应变式传感器原理及其应用举例J.物理通报,2017(05):82-84.2 杜志,贺建波.基于MEMS电阻式压力传感器的设计J.仪表技术与传感器,2019(06):19-22.3 常航,侯振德,屈
14、川.柔性膜挤压式压力传感器的研制J.传感技术学报,2021,34(07):859-866.4 谭苗苗.耐高温合金薄膜压力传感器的设计及仿真分析J.机械工程师,2017(06):33-34.5 张鉴,戚昊琛,杨文华,黄正峰,胡智文.一种用于胎压监测的MEMS压力传感器设计J.电子测量与仪器学报,2015,29(10):1424-1430.6 陈瞳,王瑞荣,李晓红.基于PDMS海绵介质层的电容式柔性压力传感器J.传感技术学报,2019,32(04):528-531.7 A.H.Chowdhury,I.Khakpour,B.Jafarizadeh,et al.A Facile Fabrication
15、 of Porous and Breathable Dielectric Film for Capacitive Pressure SensorC.2020 IEEE SENSORS,2020:1-4.8 黄崇勇.一种H型梁谐振式MEMS压力传感器D.安徽：合肥工业大学,2021.9 许高斌,胡海霖,徐枝蕃,陈兴,马渊明.谐振式MEMS压力传感器的设计与分析J.仪表技术与传感器,2019(12):5-11.10 樊尚春,张津,朱黎明.石墨烯谐振式压力传感器敏感结构研究J.郑州大学学报(工学版),2019,40(06):47-52.11 徐先亮,陈昕,吴杰,沈宏峻.柔性电容式压力传感器制作与性能
16、优化分析J.林业机械与木工设备,2021,49(05):66-69+74.12 平文,孔德义,单建华.硅谐振式压力传感器敏感结构设计与仿真J.仪表技术与传感器,2017(03):1-4+8.13 J.Yu,Y.Lu,D.Chen,et al.A Resonant High-Pressure Sensor with High S t r e n g t h D e s i g n C .2 0 2 1 2 1 s t International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems(Transducers),2021:78-81.14 M.Khan,T.An and H.Lee.A Battery-Free,Chipless,Highly Sensitive LC Pressure Sensor Tag Using PEDOT:PSS and Melamine FoamJ.IEEE Sensors Journal,2021,21(2):2184-2193.15 王健,杨挺.谐振式传感器高精度频率测量技术研
