原创 物联网中的高精度低成本压力检测方案分享_薄膜型压阻传感器

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物联网系统中为什么要使用薄膜型压阻传感器

物联网系统中使用薄膜型压阻传感器的原因主要基于其独特的性能特点和广泛的应用价值。以下是详细的分析：

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薄膜型压阻传感器的性能特点

1、高精度：

• 薄膜型压阻传感器通过将外部物理量（如压力、重量、扭矩等）转换成电阻变化来实现测量，具有较高的测量精度。

2、快速响应：

• 由于薄膜材料的特性，薄膜型压阻传感器具有快速的响应速度，能够实时监测和反应外部物理量的变化。

3、高灵敏度：

• 薄膜材料对于微小的物理量变化非常敏感，使得薄膜型压阻传感器能够捕捉到微小的信号变化，实现精确测量。

4、宽测量范围：

• 薄膜型压阻传感器可用于大范围的压力、重量等物理量的测量，满足物联网系统多样化的需求。

5、结构紧凑、安装方便：

• 薄膜型压阻传感器通常由少量的材料组成，结构紧凑，便于在物联网系统中进行安装和集成。

6、低成本：

• 相比其他类型的传感器，薄膜型压阻传感器在制造成本上具有优势，有助于降低物联网系统的整体成本。

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薄膜型压阻传感器在物联网系统中的应用价值

1、工业自动化：

• 在工业自动化领域，薄膜型压阻传感器可用于测量机器人的力量和压力、生产线上的物料重量等，为自动化控制提供准确的数据支持。

2、汽车工业：

• 在汽车工业中，薄膜型压阻传感器可用于测量汽车的压力、流量、温度等参数，以及监测轮胎压力等，确保汽车的正常运行和安全性。

3、医疗领域：

• 在医疗设备中，薄膜型压阻传感器可用于血压测量、呼吸监测等医疗应用，为患者提供精确的生理参数监测。

4、消费电子：

• 在智能手机、平板电脑等消费电子产品中，薄膜型压阻传感器可用于实现触摸屏、按压感应等功能，提升用户体验。

5、环境监测：

• 在环境监测领域，薄膜型压阻传感器可用于测量大气压力、水位等环境参数，为环境保护和气象预报提供数据支持。

综上所述，物联网系统中使用薄膜型压阻传感器的原因在于其高精度、快速响应、高灵敏度、宽测量范围、结构紧凑、安装方便以及低成本等性能特点，以及其在工业自动化、汽车工业、医疗领域、消费电子和环境监测等领域的广泛应用价值。这些优势使得薄膜型压阻传感器成为物联网系统中不可或缺的重要组成部分，为物联网的智能化、高效化和安全化提供了有力支持。

本文会再为大家详解压力传感器家族中的一员——薄膜型压阻传感器 .

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薄膜型压阻传感器的定义

薄膜型压阻传感器，属于压阻式压力传感器，是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的，结构如图。

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薄膜型压阻传感器的原理

薄膜压力传感器是利用现代薄膜制备技术，在金属弹性基体上沉积薄膜应变电阻，因其具有精度高、蠕变性好、抗干扰力强等性能。薄膜压力传感器厚度低至几百纳米到几十微米，可直接在被测零件表面制膜而不影响设备内部环境，制作简单，有利于实现结构/感知一体化制造。

薄膜压力传感器在受压力时电阻随压力增大而减小，其压阻特性表现为电阻与 压力呈幂函数关系，电阻倒数与压力呈近似线性关系，单点 感应单元可视为一个压力可变电阻。

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薄膜型压阻传感器种类

1)合金薄膜压力传感器

合金薄膜制作的压力传感器虽然应变灵敏系数较低，但具有精度高、抗干扰能力强、温度特性较好且应用温度范围较宽等优点得到了广泛的运用。

薄膜压力传感器的主要组成部分：基体、转换元件以及信号调理电路等。

合金薄膜压力传感器一般采用溅射、蒸镀等方法把合金沉积在弹性基体上。

薄膜电阻层通过感受弹性元件的应变而产生相应电阻变化，通过信号调理电路输出相应的电压信号，从而完成非电量到电量的转换。

2)半导体材料薄膜压力传感器

半导体薄膜压力传感器应变灵敏系数较高，一般情况下比金属薄膜的应变系数高出一个数量级，适合批量生产且成本低廉，其缺点是温度特性较差。

半导体材料薄膜压力传感器采用单晶硅为基体，压力腔弹性膜由单晶硅通过各向异性腐蚀而得到，沉积SiO2作为绝缘层，化学气相沉积等方法外延生长压敏电阻薄膜。

具体结构如图3所示。薄膜压阻层通过感受外部压力引起压阻材料载流子密度的变化，从而导致薄膜电阻的变化，其后的信号调理和电量转化与合金薄膜压力传感器类似。

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薄膜型压阻传感器的测量维度

1）一维单点压力传感器

一维单点压力传感器只能感受坐标轴Z方向的力。

2）一维多点分布传感器

多点分布式传感器是采用1行*N列或者M行*N列的电极设计，每个感应点仍是独立的单元。如下图：M0303M是采用3行*3列的模式，总共9个感应点；0404M是采用4行*4列的模式，总共16个感应。

3）二维单点压力传感器

二维单点压力传感器，能感受在X轴方向上的位置和Z轴方向上的力，很容易感受线性方向的带有力的大小的滑动。

4）三维单点压力传感器，能感受在X轴和Y轴方向的位置和Z轴方向的力。类似于带压力的单点触摸屏。

5）三维多点压力传感器

能感受多点在X轴和Y轴方向的位置和Z轴方向的力。类似于带压力的多点触摸屏。

6）高密度分布式柔性压力传感器

分布式柔性薄膜压力传感器是采用电极矩阵式分布设计，每个交叉点即为一个感应单元。传感器在受到压力时，电阻随压力增大而减小,其压阻特性表现为电阻与压力呈幂函数关系，电阻倒数与压力呈近似线性关系。该传感器特点在于每行、每列的功能感应区均为独立布局，实现最小干扰。

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薄膜型压阻传感器的注意事项

因为其工作原理，薄膜压力传感器有以下特征，在应用场景应注意：

1，从结构上来说，传感器的背面最好是平滑的表面。传感器不能弯折，弯折会让传感器产生误压力值。

2，因为其工作原理，薄膜压力传感器不是精准测量器件，其重复率大约为±5%，也就是相同的压力压在传感器上，两次误差大约±5%。

3，薄膜压力传感器长时间按压会有漂移，所以正常状态下最好没有力压在传感器上。

4，薄膜压力传感器的测量范围大约是10克到10千克，如果需要测量的力超过10千克，一般需要用一个结构件分担总的压力，让压在薄膜传感器上的压力仍然保持在10千克以内。

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供应商A：常州柔希电子科技有限公司

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：D0306

单点压阻式柔性压力传感器只有一个感应点单元，即只能得出一个信号，传感器在受到压力时，电阻随压力增大而减小，可看作一个压力驱动变化的可变电阻，其压阻特性表现为电阻与压力呈幂函数关系，电阻倒数与压力呈近似线性关系。

D0306 是一款小尺寸柔性压力传感器，其感应直径为3mm ，外力轮廓直径为 6mm ，超薄、灵敏、尺寸小等特点使得该型号传感器在机器人、皮肤压力、触感设备等微小压力变化检测等方面获得广泛的应用。

传感器参数

• 硬件参考设计

采用分压方式测量。压力传感器与 R1 串联，两端分别接 VCC 和 GND，构成基本的分压电路，分压电压接出为 Vout。可以将压力大小变化对应的传感器输出电阻变化转为电压变化信号。根据不同的应用需求选择适当的负载电阻 R1，通常可取 1kΩ~100kΩ（建议负载电阻取 50%量程压力时传感器对应的电阻值）；Vout 接单片机 ADC 接口，可以用作检测压力大小；接 MCU 的外部中断 IO 口，可用作压力触发功能。

• 研发设计注意使用事项
• 传感器区域需平整贴合测试面;
• 避免尖锐的物体作用于传感区域;
• 超过 60°C时，传感器温度漂移严重，尽量避免高于 60C下使用;
• 为了获得最佳测试效果，建议在传感区域贴上略小于传感区的薄硅胶垫D0306

供应商B：苏州能斯达电子科技有限公司

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：DF9-40

对应的产品详情介绍

产品特点

• 超薄，厚度小于 0.3mm
• 响应速度快
• 寿命长，通过 100 万次以上按压测试
• 检测电路简单，易于集成应用
• 可定制传感器外形
• 可定制传感器量程参数

产品描述

DF9-40 系列柔性薄膜压力传感器是苏州能斯达电子采用拥有自主知识产权的柔性压力传感技术制备的新型传感器，在柔韧轻薄材料上印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的柔性纳米功能材料，使其实现对压力的高灵敏度检测。柔性薄膜压力传感器是一种电阻式传感器，输出电阻随施加在传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可测量出压力大小。适用于柔性面的压力测量场景，可广泛应用于智能家居、消费电子、汽车电子、医疗设备、工业控制、智能机器人等领域。DF9-40 系列目前有 500g、2kg、5kg、10kg、20kg 等不同量

程型号产品。

采用分压方式测量。压力传感器与 R1 串联，两端分别接 VCC 和 GND，构成基本的分压电路，分压电压接出为 Vout。可以将压力大小变化对应的传感器输出电阻变化转为电压变化信号。根据不同的应用需求选择适当的负载电阻 R1，通常可取 1kΩ~100kΩ（建议负载电阻取 50%量程压力时传感器对应的电阻值）；Vout 接单片机 ADC 接口，可以用作检测压力大小；接 MCU 的外部中断 IO 口，可用作压力触发功能。

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