壓阻式傳感器[基礎(chǔ)教學(xué)]

1、壓阻式傳感器,1. 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 2. 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 3. 擴散型壓阻式壓力傳感器 4. 壓阻式加速度傳感器 5. 壓阻式傳感器的測量電路 6. 壓阻式傳感器的應(yīng)用,1,蒼松優(yōu)選,1. 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng),固體材料受到壓力后，它的電阻率將發(fā)生一定的變化，所有的固體材料都有這個特點，其中以半導(dǎo)體最為顯著。 當(dāng)半導(dǎo)體材料在某一方向上承受力時，它的電阻率將 發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。 壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。,2,蒼松優(yōu)選,1.

2、1壓阻效應(yīng),金屬材料 半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體電阻率,l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向 與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。,3,蒼松優(yōu)選,對半導(dǎo)體材料而言，l E (1+)，故(1+)項可以忽略,半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率的變化是由應(yīng)變引起的。,半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示,半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小,4,蒼松優(yōu)選,利用這種效應(yīng)制成的電阻稱為固態(tài)壓敏電阻，也叫力敏電阻。用壓敏電阻制成的器件有兩類：一種是利用半導(dǎo)體材料制成黏貼式的應(yīng)變片；另一種是在半導(dǎo)體的基片上用集成電路的工藝制成擴散

3、型壓敏電阻，用它作傳感器元件制成的傳感器，稱為固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴散型壓阻式傳感器。,1.2 壓敏電阻分類,5,蒼松優(yōu)選,2. 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,這種半導(dǎo)體應(yīng)變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片可分為6種。 普通型:它適合于一般應(yīng)力測量； 溫度自動補償型：它能使溫度引起的導(dǎo)致應(yīng)變電阻變化的各種因素自動抵消，只適用于特定的試件材料； 靈敏度補償型：通過選擇適當(dāng)?shù)囊r底材料（例如不銹鋼），并采用穩(wěn)流電路，使溫度引起的靈敏度變化極??； 高輸出（高電阻）型：它的阻值很高（210千歐）,可接成電橋以高電壓供電而獲得高輸出電壓，因而

4、可不經(jīng)放大而直接接入指示儀表。 超線性型:它在比較寬的應(yīng)力范圍內(nèi),呈現(xiàn)較寬的應(yīng)變線性區(qū)域，適用于大應(yīng)變范圍的場合； P-N組合溫度補償型:它選用配對的P型和N型兩種轉(zhuǎn)換元件作為電橋的相鄰兩臂，從而使溫度特性和非線性特性有較大改善。,6,蒼松優(yōu)選,2.1 結(jié)構(gòu)型式及特點,主要優(yōu)點 靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機械滯后極小 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多,7,蒼松優(yōu)選,半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式,1-P型單晶硅條 2-內(nèi)引線 3-焊接電極 4-外引線,8,蒼松優(yōu)選,2.2 測量電路,恒壓源 恒流源,電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。,電橋輸出

5、電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。,9,蒼松優(yōu)選,半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點是靈敏度高，這為它的應(yīng)用提供了有利條件。另外，由于機械滯后小、橫向效應(yīng)小以及它本身體積小等特點，擴大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。 其最大的缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散程度大（由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響）以及在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大等，給使用帶來一定困難。,2.3 半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)缺點,10,蒼松優(yōu)選,3. 擴散型壓阻式壓力傳感器,在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)是可逆的，即在應(yīng)力作用下硅的電阻發(fā)生變化，而當(dāng)應(yīng)力除去時，硅的電阻又恢復(fù)到原來的數(shù)值。硅的壓阻效應(yīng)因晶體的取向不同而不同，即對不同的晶軸方向其壓阻系數(shù)

6、不同。雖然半導(dǎo)體壓敏電阻的靈敏系數(shù)比金屬高很多，但是有時還是不夠。因此為了進一步增大靈敏度，壓敏電阻常常擴散（安裝）薄的硅膜上，讓硅膜起一個放大作用。,11,蒼松優(yōu)選,3.1 結(jié)構(gòu)類型,壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖 1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片,采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜,12,蒼松優(yōu)選,工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。,設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻

7、的位置，可以組成差動電橋。,13,蒼松優(yōu)選,3.2 擴散型壓阻式壓力傳感器特點,優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。 測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進行補償。,14,蒼松優(yōu)選,4. 壓阻式加速度傳感器,壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁，如圖所示。在其根部擴散出四個電阻，當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受有加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力，使四個電阻阻值發(fā)生變化。,15,蒼松優(yōu)選,5.1 壓阻式傳感器的測量電路 （1）恒壓源供電 假設(shè)四個擴散電阻的

8、起始阻值都相等且為R，當(dāng)有應(yīng)力作用時，兩個電阻的阻值增加，增加量為DR，兩個電阻的阻值減小，減小量為-DR；另外由于溫度影響，使每個電阻都有DRT的變化量。根據(jù)圖，電橋的輸出為 整理后得,5. 壓阻式傳感器的測量電路,16,蒼松優(yōu)選,如RT = 0，即沒有溫度影響，則 此式說明電橋輸出與DR/R成正比，即與被測量成正比；同時又與U成正比，表明電橋的輸出與電源電壓的大小與精度都有關(guān)。 如DRT0時，則Usc與DRT有關(guān)，也就是說與溫度有關(guān)，而且與溫度的關(guān)系是非線性的，所以用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。,17,蒼松優(yōu)選,假設(shè)電橋兩個支路的電阻相等，即 故有 因此電橋的輸出為 整理后得 電橋的

9、輸出與電阻的變化量成正比，即與被測量成正比，當(dāng)然也與電源電流成正比，即輸出與恒流源的供給電流大小與精度有關(guān)，不受溫度影響，這是恒流源供電的優(yōu)點。,（2）恒流源供電,18,蒼松優(yōu)選,1.將四個電橋電阻盡量集中于一個小的范圍 在擴散電阻形成的工藝過程中，光刻、擴散等工藝會引起電阻條寬度或雜質(zhì)濃度發(fā)生偏差。導(dǎo)致各電阻值和溫度系數(shù)互不相等，造成電橋的不平衡，電橋的輸出特性就會受到溫度影響。,5.2 減小在擴散工藝中的溫度影響,19,蒼松優(yōu)選,2.采用復(fù)合電阻條減少溫度影響 如圖所示，在（100）面上配置了8個電阻條，相互對它們自己中心對稱，按圖中方式連成電阻橋。這樣，電橋的每一臂都由對中心點對稱的兩個

10、電阻構(gòu)成復(fù)合電阻，即1和2，3和4，5和6，7和8，使得電橋每一臂電阻值和溫度系數(shù)都可做得很接近，所以電橋零點不隨溫度變化，也沒有零點漂移，表現(xiàn)出良好的溫度特性。,20,蒼松優(yōu)選,6. 壓阻式傳感器的應(yīng)用,由于具有頻響高、體積小、精度高、測量電路與傳感器一體化等特點，壓阻式傳感器相當(dāng)廣泛地應(yīng)用在航天、航空、航海、石油、化工、動力機械、生物醫(yī)學(xué)、氣象、地質(zhì)地震測量等各個領(lǐng)域。 1.生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 小尺寸，高輸出和穩(wěn)定可靠的性能，使得壓阻式傳感器成為生物醫(yī)學(xué)上理想的測試手段。,21,蒼松優(yōu)選,（a）：注射針型壓阻式壓力傳感器 （b）：內(nèi)心導(dǎo)管中的壓阻式壓力傳感器 （c）：腦壓傳感器,22,蒼松優(yōu)選,2.爆炸壓力和沖擊波的測量 在爆炸壓力和沖擊波的測試中，廣泛應(yīng)用壓阻式壓力傳感器。 3.汽車上的應(yīng)用 用硅壓阻式傳感器與電子計算機配合可監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能，以達到節(jié)能目的。此外還可用來測量汽車啟動和剎車時的加速度。 4.兵器上的應(yīng)用 由于固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快，體積小等特點，壓阻式壓力傳感器適合測量槍炮膛內(nèi)的壓力。測量時，傳感器安裝在槍炮的身管上或裝在藥筒底部。另外，壓阻式傳感器也用來測試武器發(fā)射時產(chǎn)生的沖擊波。,23,蒼松優(yōu)選,此外，在石油工業(yè)中，硅壓阻式壓力傳感器用來測量油井壓力，以便分析