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传感器与微系统（Transducerand MicrosystemTechnologies）
2017年第36卷第11期
D0I:10.13873/J.10009787(2017)11010603
微型硅压阻式压力传感器研制*
王永洪",2，张明义12，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）
摘要：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。关键词：微型：硅压阻式：土压力：孔隙水压力
中图分类号：TP216
文献标识码：A
文章编号：1000-9787（2017)11-0106-03
Researchandfabricationofmicrosilicon
piezoresistive pressure sensor
WANG Yong-hong2, ZHANG Ming-yi'2, GAO Qiang', WANG Peng
(1.School of Civil Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao 266033, China;
2. Collaborative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in
Shandong Blue Economic Zone,Qingdao Technological University,Qingdao 266033,China)
Abstract: 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.
Key words : micro; silicon piezoresistive; soil pressure; pore water pressure
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-]，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5mm，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收稿日期：2017-09-25
现象称为压阻效应。根据电阻R=pL/A微分后可得[7 dR_de+_dA_de+(1+2u)e
(1)
式中R为多晶硅材料的电阻值，Q;p为多晶硅材料的电阻率，2·mm/m;L多晶硅材料的长度，m；A为多晶硅材料的截面积，mm；"为多晶硅材料的泊松系数；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
de=ng p g=Es
由式(1)~式(3)可得
3=3(3++)=3(2+)+= Rp
(2)(3)
(4)
*基金项目：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）