Reinforced piezoresistive pressure sensor for ocean depth .pdf

### 加固型压阻式压力传感器在海洋深度测量中的应用 #### 概述 本文将详细介绍加固型压阻式压力传感器的设计原理、工作机理及其在海洋深度测量中的优势。该传感器采用双膜片结构与惠斯通电桥技术，旨在提高测量精度、扩大工作范围并实现温度补偿功能。与传统的单膜片设计相比，加固型传感器表现出更高的灵敏度（增加10%-15%）和更宽的工作压力范围（增加2-2.2倍）。 #### 背景与动机 海洋参数的动态与长期测量对于理解海洋物理过程至关重要，这些参数包括盐度、温度、密度以及压力/混合层深度等。这些参数直接影响着海洋中的物理、化学与生物过程，从评估海洋循环到监测污染，再到全球气候变化、天气模式、海洋流速/海啸强度、珊瑚生长乃至人类健康、农业及经济等领域都有广泛的应用价值。 传统方法如研究船、自主水下航行器(AUV)或遥控潜水器(ROV)虽可用于海洋参数的测量，但无法实现连续无间断的测量。因此，开发新型高效、可靠的传感器成为海洋科学研究的关键需求之一。加固型压阻式压力传感器作为一种新兴技术，在海洋深度测量领域展现出巨大潜力。 #### 压阻式压力传感器的工作原理 压阻式压力传感器是基于压阻效应工作的。当压力施加于敏感元件上时，敏感元件的电阻值会发生变化，进而引起通过其电流的变化。这种传感器通常由硅基底上的四个电阻组成，构成一个惠斯通电桥电路。当外部压力作用于膜片时，电阻值发生变化，导致电桥输出电压的变化，从而可以测量出压力大小。 #### 双膜片结构的优势 加固型压阻式压力传感器采用了双膜片结构来增强其性能。与单膜片设计相比，双膜片设计能够提供以下几方面的改进： 1. **提高灵敏度**：通过优化膜片的厚度与材料，可以显著提高传感器对压力变化的响应速度和灵敏度。 2. **拓宽工作范围**：双膜片结构能够在不牺牲精度的情况下处理更大的压力变化范围。 3. **温度补偿**：利用不同材料的热膨胀系数差异，双膜片设计能够有效减少温度变化对测量结果的影响。 4. **稳定性增强**：额外的膜片可以提供结构上的支持，增强整个传感器系统的稳定性和耐用性。 #### 实验验证与结果 为验证加固型压阻式压力传感器的有效性，研究人员制造了一款双膜片压力传感器，并进行了性能测试。实验结果显示，该传感器的灵敏度范围为0.13至0.74 mV/(V psi)，全量程范围增加了大约两倍。这些结果表明，加固型压阻式压力传感器不仅提高了测量精度，还显著扩展了工作范围，使其适用于更广泛的海洋环境监测任务。 #### 结论与展望 加固型压阻式压力传感器凭借其高灵敏度、宽工作范围和良好的温度补偿特性，在海洋深度测量领域展现出了巨大的应用前景。随着技术的进步和进一步的研究，这类传感器有望成为未来海洋科学研究中的关键技术工具，为深入了解海洋环境及其对地球系统的影响提供有力支持。