*产品技术原理

压阻式：压阻式传感器是采用集成电路制造技术在半导体基片上直接生成扩散电阻并组成电桥，半导体材料通常为硅材料，所以压阻式传感器又常称为扩散硅压力传感器。由于采用了集成电路生产技术，这类传感器非常适合大批量生产，成本也很低，压阻式传感器面临的主要问题是受温度影响较大。

美国SMI微压传感器的技术原理

美国Silicon Microstructures INC.开发了一系列价位低、线性度在0.3%到0.05%范围内的硅微结构压阻式传感器，满量程为0.15psi(1KPa)、0.3psi(2KPa)、0.8psi(5KPa)、1.5psi(10KPa)、3 psi(20KPa)、最低满量程为0.15psi(1KPa)，被列为超低压力测量范围。

美国SMI廉价的压阻式、超低压传感器成功的关键是它的创新的物理刻蚀设计。一般来说,硅微压力传感器芯片采用扁平膜来测量压力。SMI传感器芯片采用三维膜片结构,用硅刻蚀工艺将产生的应力(压力)集中在传感电阻处。这样在保持总体精度和线性度的同时仍有很高的灵敏度。80%的应力传递到膜片中的梁式区域,而膜片丢失的应力只有20%。
除了压阻器所处的四周外，膜片的所有部分都减薄，从而得到膜片的浮凸结构。由于传感器看起来象机械力放大器，因而便于把膜片运动的应力集中在压阻器上，增加的应力极大地提高了信号输出，膜片上的浮凸用做终止层。四周的薄膜有效地将器件密封起来。因此压力不会前后移动。此外，在器件的结构内，离子注入电阻形成压阻式惠斯登电桥，凹坑减少了器件的总震动质量。

硅芯片的加工过程和硅微结构如图1所示，
现逐步简述如下：

第一步是硅片的一面沉积外延层，上下两面形成氧化层。
第二步将P材料扩散到上方氧化层，形成压敏电阻半导体。
第三步半导体装金属接点。
第四步绕硅片中心四蚀刻掉部分硅片，形成一个环形的凹槽，这个凹槽的顶部只剩下外延层和氧化层，厚度仅约10µMI。
第五步从硅片上方蚀刻掉图1（eof.）所示的四块压阻半导体，剩下的四根条状的压敏电阻半导体作传感器的压阻敏感元件使用，再经多次蚀刻，将它们连接成惠斯登电桥。
第六部将硅片与底座粘结，连引线。底座分陶瓷和玻璃两层，中间有通气孔。
从图1（f）可见，当硅片上方受压时，其力将主要由四根条状的压阻半导体承受。由于应力集中，压阻的变化明显增加，从而大大提高了传感器的灵敏度。柜硅片下方中心四周蚀刻成凹槽状，见效了敏感部分的质量，有利于提高传感器上方与下方阻断：这部分只消耗约20%上方受压时产生的力。硅片的下凸部分，当传感器受力过大时将与玻璃相碰，因此它起挡板作用。这种三维的传感器结构显然与传统的平板式结构不同。
SMI压力传感器无需校准即能提供线性度优于1%的传感信号。因此，SMI压力传感器是一种性能优越、全集成化的单片硅器件。
SMI使用了一套专门设计的软件由计算机对传感器作静态和动态仿真，并进一步计算压力传感器芯片的尺寸，使灵敏度和线性度满足预定要求。在生产方面，官方采用双板、CMOS或EPROM等成功的工艺，从而提高器件的可靠性、增加成品率并降低成本。
图1 硅微传感器加工过程和结构示意图

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*产品分类 外型尺寸和接口方式

一、产品分类

· 硅微压力传感器测量类型分类
A（绝压）　　D（差压）　　G（表压）
· 硅微压力传感器量程分类

0.15psi~3psi（1kPa~20 Pa）

	5651	5652
以	5551	5552	型号命名为低压量程段
	5350	5450	5103

5psi~100psi（35kPa~700 Pa）

	5501	5502
以	5310	5410	型号命名为高压量程段
	5350	5612	5102

· 硅微压力传感器以温补特征分类

55系列 56系列为带温补型,温度范围0~70°C,0~60°C
53系列 54系列 5102 5103芯片为不带温补型

· 硅微压力传感器以封装型式分类

55系列为塑封 56、54系列为陶瓷封装
5102、5103为裸片，即为传感器芯片，未加封装

· 硅微压力传感器以电气引脚方式分类

55系列为单列6引脚输出
53 54 56为双列6引脚输出

· 硅微压力传感器以驱动电源类型分类

5551 5501 5651 5611末位为“1”为恒流驱动工作
5552 5502 5652 5612 末位为“2”为恒压驱动工作
53系列 54系列 5102 5103即可以为恒流驱动工作，也可为恒压驱动工作

二、产品外形尺寸

附图2~图5
图2 SM53、SM54系列传感器外形尺寸图
图3 SM55系列传感器外形尺寸图
图4 SM56系列传感器外形尺寸图
图5 SM51系列传感器外形尺寸图

三、接口方式

通常采用软管连接，软管材质通常为胶 管，橡胶管，壁厚保证在1mm或者尼龙硬管配合连接。若采用金属管连接，需配置金属密封过渡接头。

四、产品型号总揽

量程：0.15psi（1KPa）、0.3psi（2KPa）、0.8psi（5KPa）、1.5psi（10KPa）

恒 流 型	型 号	5551	压力测量类型
		5651	表压---G
		5350 5450	差压----D
		5103	绝压---A

恒 压 型	型 号	5552	压力测量类型
		5652	表压---G
		5450 5350	差压----D
		5103	绝压---A

量程 5psi（35KPa）、15psi（100KPa）、30psi（200KPa）、60psi（400KPa）、100psi（700KPa）

恒 流 型	型 号	5501	压力测量类型
		5611	表压---G
		5410 5310	差压----D
		5102	绝压---A

 

恒 压 型	型 号	5502	压力测量类型
		5612	表压---G
		5410 5310	差压----D
		5102	绝压---A

　

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*产品技术参数

一、 SM55系列产品技术参数
（一）、电气连接方式 附图6、图7

图6 SM5501型和SM5502型电气连接方式

图7 SM5551型和SM5552型电气连接方式

（二）、SM55系列性能指标及测试条件
１、5501型，Iexc=1.5mA T=25°C； 5502型，Vexc=10.0V

参数	最小值	标准值	最大值	单位
激励 电流(5501) 电压(5502)	0.00 0.00	1.50 10.00	3.00 20.00	mA V
输出（FS） FS(5501)* FS(5502) 零压	50.0 49.5 -1.00	100.0 50.0 . +/-0.2	170.0 50.5 1.00	mV mV mV
温度系数 满量程** 零点** 温度滞后	-1.20 -1.20 -0.15	±0.20 ±0.20 ±0.05	1.20 1.20 0.15	%FS/100°C*** %FS/100°C %FS
精度 线性**** 重复性 迟滞	-0.15 -0.15 -0.15	±0.05 ±0.05 ±0.05	0.15 0.15 0.15	%FS %FS %FS
阻抗(5501)* 输入 输出 阻抗(5502) 输入 输出	2.20 2.90 . 4.50 2.00	3.00 3.00 . 8.00 2.50	3.80 3.80 . 15.00 3.80	K? K? . K? K?
温度范围 标 定 使 用 储 存	0 -40 -55	－ － －	70 85 125	°C °C -
过载特性  耐压 瞬间压力	. 3倍满量程输出或22.5psi，两者取最小值 5倍满量程输出或22.5psi，两者取最小值

* 外增益补偿电阻（5501型）见应用说明5500-1
** 测量超过0~70°C温度范围，见应用说明5500-1
*** FS表示满量程输出
**** 最佳直线拟合

命名方式
5 5 0 1 ---- 015 --- A

压力类型 A：绝压
D：差压
G：表压
压力范围 005：5psi
015：15psi
030：30psi
060：60psi
100：100psi
激励：1：电流
2：电压
传感器型号

SM5551和5552系列性能指标及测试条件

２、5551型，Iexc=1.5mA T=25°C； 5552型，Vexc=10.0V T=25°C（除非另有说明）

参数	最小值	标准值	最大值	单位
激励 电流(5551) 电压(5552)	0.00 0.00	1.50 10.00	3.00 20.00	mA V
输出（FS） FS(5551)* FS(5552) 零压	25.0 24.5 -2.00	50.0 25.0	75.0 25.5 2.-	mV mV mV
温度系数 满量程** 零点** 温度滞后	-1.20 -2.40 -0.45	±0.20 ±0.20 ±0.05	1.20 1.20 0.15	%FS/100°C*** %FS/100°C %FS
精度 线性**** 重复性 迟滞	-0.30 -0.30 -0.30	±0.05 ±0.05 ±0.05	0.30 0.30 0.30	%FS %FS %FS
阻抗(5551)* 输入 输出 阻抗(5552) 输入 输出	2.20 2.90 . 4.50 2.00	3.00 3.30 . 8.00 2.50	4.60 4.80 . 25.00 4.50	K? K? . K? K?
温度范围 标 定 使 用 储 存	0 -40 -55	－ － －	70 85 125	°C °C -
过载特性  耐压 瞬间压力	. 3倍满量程输出 5倍满量程输出

* 外增益补偿电阻（5551型）见应用说明5500-1
** 测量超过0~70°C温度范围，见应用说明5500-1
*** FS表示满量程输出
**** 最佳直线拟合,量程为0.3psi时的线性精度为±0.5%(最大值) °C

命名方式
５５５１ ---- ００８ --- D

　　压力类型 A：绝压
............D：差压
............G：表压
　　压力范围 001：0.15psi
............003：0.3psi
............008：0.8psi
............015：1.5psi
............030：3.0psi
　..激励：1：电流
..........2：电压
　　传感器型号

二、ＳＭ56系列产品技术参数

（一） 、电气连接方式

图8 SM56系列产品电气连接方式


（二） 、性能指标及测试条件

SM5611型和SM5651型传感器
供应电流=1.5mA及T=25°C 除非另有规定

参数	SM5611				SM5651			单位
	最小	标准	最大		最小	标准	最大
电流激励	0	1.5	3		0	1.5	3	mA
满量程输出跨度	75	100	150		25	50	75	mV
零压力输出			2				2	±mA
线性			0.1				0.3	±%FS
压力滞后			0.1				0.3	±%FS
输入电阻	2.2		6.0		2.5		6.0	K?
输出电阻	2.5		6.0		2.5		6.0	K?
温度系数...跨度			0.5				0.65	±%FS
温度系数...零			0.5				1.0	±%FS
热滞后...零		0.1				0.1		±%FS
供应电流		1.5	2.0			1.5	2.0	mA
响应时间(10%~90%)		1.0				1.0		msec
敏感度配合			1.0				1.0	±%
压力过载			3X				3X	Rated
操作温度范围	-40		125		-40		125	°C
补偿温度范围	0		60		0		60	°C
存储温度范围	-55		150		-55		150	°C
介质
重量		3				3		Grams

备注:
1、 无放大传感器输出跨度
2、 补偿电阻是传感器整体的一部分，不需要额外电阻
3、 最佳拟合直线（BFSL）的线性，对SM5651的0.3 psi系列,线性是±0.5%FS,对0.15psi系列,线性是±1.0%FS
4、 FS表示满量程输出
5、 在补偿温度范围测定
6、 对0.15psi系列,TC－0是±2.5%FS
7、 对SM5611，3X或22.5psi看谁更小，对SM5651，3X或5psi,，看谁更大。
8、 介质清洁，干气体。

　

SM5612型和SM5652型传感器

供应电流=10.0VDC及T=25°C 除非另有规定

参数	SM5612				SM5652			单位
	最小	标准	最大		最小	标准	最大
电流激励	0	10	20		0	10	20	V
满量程输出跨度	39.5	40.0	40.5		24.5	25	25.5	mV
零压力输出			2				2	±mV
线性			0.1				0.3	±%FS
压力滞后			0.1				0.3	±%FS
输入电阻	2.5		6.0		2.5		6.0	K?
输出电阻	2.5		6.0		2.5		6.0	K?
温度系数...跨度			0.5				0.65	±%FS
温度系数...零			0.5				1.0	±%FS
热滞后...零		0.1				0.1		±%FS
供应电流		1.5	2.0			1.5	2.0	mA
响应时间(10%~90%)		1.0				1.0		msec
敏感度配合			1.0				1.0	±%
压力过载			3X				3X	Rated
操作温度范围	-40		125		-40		125	°C
补偿温度范围	0		60		0		60	°C
存储温度范围	-55		150		-55		150	°C
介质
重量		3				3		Grams

备注:
1、 无放大传感器输出跨度，对0.15psi,跨度为23.75mV(最小)至26.25mV(最大)。
2、 补偿电阻是传感器整体的一部分，不需要额外电阻。
3、 最佳拟合直线（BFSL）的线性，对SM5652的0.3psi系列，线性是±0.5%FS，对0.15psi系列,线性是+/-1.0%FS
4、 FS表示满量程输出。
5、 在补偿温度范围测定。
6、 对0.15psi系列,TC－0是+/-2.5%FS。
7、 供零至全标尺压力级变换。
8、 介质清洁，干气体。

三、SM53和SM54系列产品技术参数

（一）、电气连接方式

图10 SM53系列产品电气连接方式
图11 SM54系列产品电连接方式

（二）、性能指标及测试条件

Vexc=5.0 T=室温（除非另有说明）

参数	最小值	标准	最大值	单位
电压激励	0	5.0	10.0	V
电流激励	0	1.5	3.0	mA
零压输出	-50	0	50	mV
温度系数 满量程** 零点** 电 阻	±22+5 ±12 28±5		%FS/100°C %FS/100°C %FS/100°C
线性精度***	-0.3	±0.1	0.3	%FS
桥式阻抗	2.7	3.3	4.0	K?
温度范围 使 用 储 存	-40 -55		85 125	°C °C
过载特性 耐压 瞬间压力****	>3倍满量程输出 >5倍满量程输出

5310,5410型低压力系列

满量程输出	最小值	标准	最大值	单位
5psi 15psi 30psi 60psi 100psi	75 115 130 130 130	100 145 165 180 200	125 175 195 220 250	mV mV mV mV mV

精度****	-0.3	±0.05	+0.3	%FS
零点 温度系数*		±7		%FS/100°C

5350,5450型低压力系列

满量程输出	最小值	标准	最大值	单位
0.3psi 0.8psi 1.5psi 3.0psi	25 25 25 25	50 50 50 50	75 75 75 75	mV mV mV mV

精度****	-0.3	±0.1	+0.3	%FS
零点 温度系数*		±12		%FS/100°C

* 测量从0~70°C
** 低于额定值的3倍或5倍，最大压力为225psi
*** 在Vexc=5V时测定
**** 最佳直线拟合,量程为0.3psi时的线性度+/-0.5%FS

命名方式
５３５０ ---- 008 --- G　---P
取压方式P：取压管式
........H：取压孔型
压力类型 A：绝压（仅5310，5350型）
..........G：表压
压力范围
传感器型号

四、SM51系列产品技术参数

（一）、电气连接方式

图12 SM5103型电气连接方式
图13 SM5102型系列产品电连接方式

（二）、性能指标及测试条件

5103型，Vexc=5.0 T=25°C（除非另有说明）

参数	最小值	标准	最大值	单位
激励
电压	0	5.0	10.0	V
电流	0	1.5	3.0	ma
输出 0.3psi 0.8psi 1.5psi 3.0psi 零压	25 25 25 25 -50	50 50 50 50 0	75 75 75 75 50	mV mV mV mV mV
温度系数 满量程** 零点** 阻抗	±22+5 ±12 28±5		%FS/100°C %FS/100°C %FS/100°C
线性精度***	-0.3	±0.1	0.3	%FS
桥式阻抗	2.7	3.3	4.0	K?
温度范围 使 用 储 存	-40 -55		85 125	°C °C
过载特性 耐压 瞬间压力****	>3倍满量程输出 >5倍满量程输出

* 在恒压5V激励下测量
** 在0~70°C测量
*** 最佳直线拟合,量程为0.3psi时的线性度为±0.5%(最大)
**** 最大至20倍满量程输出

命名方式
５１０３ ---- 008 --- G

压力类型 G：表压
压力范围 003：0.3psi
..........008：0.8psi
..........015：1.5psi
..........030：3.0psi
芯片型号

5102型，Vexc=5.0 T=25°C（除非另有说明）

参数	最小值	标准	最大值	单位
激励
电压	0	5.0	10.0	V
电流	0	1.5	3.0	ma
输出 5psi 15psi 30psi 60psi 100psi 300psi 零压	75 115 130 130 130 130 -50	100 145 165 180 200 220 0	125 175 195 220 250 275 50	mV mV mV mV mV mV mV
温度系数 满量程** 零点** 阻抗	-22+5 ±12 28±5		%FS/100°C %FS/100°C %FS/100°C
线性精度***	-0.3	±0.05	0.3	%FS
桥式阻抗	2.7	3.3	4.0	K?
温度范围 使 用 储 存	-40 -55		85 125	°C °C
过载特性 耐压 瞬间压力****	>3倍满量程输出 >5倍满量程输出

* 在恒压5V激励下测量
** 在0~70°C测量
*** 最佳直线拟合

命名方式
５１０２ ---- 060 --- G

压力类型 A：绝压
..........G：表压
压力范围 005：5psi
..........015：15psi
..........030：30psi
..........060：60psi
..........100：100psi
..........300：300psi
芯片型号

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*产品技术应用

硅压阻式传感器全固态、体积小、重量轻、价格低廉，随着集成电路制造技术极微机械加工技术的不断发展，其产品性能会逐步提高，此产品在智能机器人、航空航天、生物医学工程、汽车工业及家用电器等众多领域有着很高的应用前景。

SM5000系列传感器的前景在于它的高灵敏度、极低廉的成本及通用性。基本传感器结构还可改制成不同类型的传感，这种功能将开辟新的应用领域。该种性能技术的影响是十分深远的，实际上开创了一个无所不能的压力传感器的新市场。应用遍及医疗电子学到HVAC各个领域。

在医疗领域，目前使用的压力传感器是非产昂贵的，超低压传感器可用于血压测量及重点看护病人的呼吸监测。在通风与供暖系统中，空调器的均恒性是最大的问题。目前的实施方案是极其复杂的，在价格上是接受不了的。超低压传感器提供一种更廉价的解决方案，而其分辨力与前者一样。因此他解决了智能大厦应用中空气流通与均衡的一大难题。

其他的应用包括气体分析、色普及混合、车辆燃油蒸气的复原等。传感器结构的另一个特点是器件在较低的压力处仍有良好的性能特性，这可用于需要高性能、高压器件的场合包括自行车和滑雪应用的测高计。

SM5000系列传感器具体应用技术实例

SM5552压力传感器与四个放大器接成图16所示电路，即构成标准输出0~5V压力变送器。MC33274是一种输入失调电压低双极型四运放集成电路，常在这类变送器中使用。图中传感器的（+）输出端（5）接到放大器UIA的同相输入端（3）。传感器的(-)输出端(1)接到放大器UIB的同相输入端(5)

这两处放大器输出端（7）和（1）的电压差与传感器输出信号电压的比值，即放大倍数K=1+（R8+R9）/ R10。这两个放大器输出端的共模电压与传感器输出端的共模电压相等。按这种接法，UIA和UIB随温度漂移的失调电压（假定相同）也只能以共模电压的形式在UIA和UIB输出端出现。放大器UIC与四个相同的电阻R2、R3、R4、R5组成放大倍数为-1的差分放大器，它将输入的共模电压全部抑制。

因此我们从（7）端输出得到的是K被传感器输出信号，放大器UIA和UIB的失调电压不能对输出产生影响，至于UIC本身的温度漂移，由于放大倍数仅为-1，故可忽略。UID及其附属电路目的是向UIC提供一个可调的调零电位。

SM5552压力传感器与集成电路XTR101接成图15所示电路即构成标准输出为4~20mA的两线制压力变送器。XTR101是美国BB公司开发的变送器微型电路，它具有仪表放大器的输入特性，失调电压最大仅30üV，温度漂移0.75üV/C，输出由它的（10）（11）两端并联的稳压管保证。

传感器的输出端（5）（1）分别接到XTR101的（3）（4）输入端，（1）（2）（14）端的外接电阻R4和电位器R6组成调零电路，用于零压力时调输出电流4mA，（5）（6）两端外接电阻R3和电位器R5供调节满量程压力时输出为20mA。

（12）端控制的双结功率管Q1及电阻R1，目地是减小XTR101的工作电流，从而降低其温升，以保证其性能的稳定。这个系统的电源电压为24V。

图14 输出0~5V压力变送控制器
图15 输出为4~20mA的两线制的压力变送控制器

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