压阻式传感器.ppt

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1、压阻式传感器1.半导体的压阻效应2.体型半导体应变片3.扩散型压阻式压力传感器4.压阻式加速度传感器5.压阻式传感器的测量电路6.压阻式传感器的应用1.半导体的压阻效应固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻率将发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。1.1压阻效应金属材料半导体材料半导体电阻率πl为

2、半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。对半导体材料而言，πlE>>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的变化是由应变引起的。半导体单晶的应变灵敏系数可表示半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元件制成的传感器，称为固态压阻式传感器

3、，也叫扩散型压阻式传感器。1.2压敏电阻分类2.体型半导体电阻应变片这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体应变片可分为6种。①普通型:它适合于一般应力测量；②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧）,可接成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。⑤超线性型:它在比较宽的应力范围

4、内,呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；⑥P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。2.1结构型式及特点主要优点灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍横向效应和机械滞后极小温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多半导体应变片的结构形式1-P型单晶硅条2-内引线3-焊接电极4-外引线2.2测量电路恒压源恒流源电桥输出电压与ΔR/R成正比，输出电压受环境温度的影响。电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供了有利条件。另外，由

5、于机械滞后小、横向效应小以及它本身体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等，给使用带来一定困难。2.3半导体应变片的优缺点3.扩散型压阻式压力传感器在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装）薄的硅膜上，让硅膜起一

6、个放大作用。3.1结构类型压阻式压力传感器结构简图1—低压腔2—高压腔3—硅杯4—引线5—硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。3.2扩散型压阻式压力传感器特点优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率

7、响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。4.压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁，如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，使四个电阻阻值发生变化。扩散电阻质量块基座应变梁a5.1压阻式传感器的测量电路（1）恒压源供电假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，两个电阻的阻值增加，增加量为DR，两个电阻的阻值减小，减小量为-DR；另外由于温度影响，使每个电阻都