N-2.2 壓阻式傳感器

1、2.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導體的壓阻效應半導體的壓阻效應2.2.2 體型半導體應變片體型半導體應變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償2.2.1 半導體的壓阻效應 固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應應稱為壓阻效應;半導體材料的壓阻效應特別強。半導體材料的壓阻效應特別強。 壓阻式傳感器的靈敏系數大，分辨率高。頻率響應壓阻式傳感器的靈敏系數大，分辨率高。頻率響應高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷高

2、，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數。等參數。因為半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器因為半導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。的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。壓阻效應 金屬材料 半導體材料 llEell半導體電阻率半導體電阻率 l為半導體材料的壓阻系數，它與半導體材料種類及應力方向為半導體材料的壓阻系數，它與半導體材料種類及應力方向與晶軸方向之間的夾角有關；與晶軸方向之間的夾角有關；E為半導體材料的彈性模量，與晶向有關。為半導體材料的彈性模量，與晶向有關。 )1(RR)1 (ERRl對半導體材料而言，對半導體材料而言，l E (1+)，故

3、，故(1+)項可以忽略項可以忽略llERR半導體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，半導體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率而電阻率的變化是由應變引起的的變化是由應變引起的. 半導體單晶的應變靈敏系數可表示半導體單晶的應變靈敏系數可表示:ERRKl/半導體的應變靈敏系數還與摻雜濃度有關，它隨雜質的增加半導體的應變靈敏系數還與摻雜濃度有關，它隨雜質的增加而減小而減小.2.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導體的壓阻效應半導體的壓阻效應2.2.2 體型半導體應變片體型半導體應變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度

4、傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償2.2.2 體型半導體電阻應變片 結構及特點結構及特點 測量電路測量電路 1. 結構型式及特點 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 靈敏系數比金屬電阻應變片的靈敏系數大數十倍靈敏系數比金屬電阻應變片的靈敏系數大數十倍; 橫向效應和機械滯后極小橫向效應和機械滯后極小; 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多. 2. 測量電路 恒壓源恒壓源恒流源恒流源)/(0tRRRUURIU0電橋輸出電壓與電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與電橋輸出電壓與R成正比，

5、環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。2.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導體的壓阻效應半導體的壓阻效應2.2.2 體型半導體應變片體型半導體應變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結構簡圖壓阻式壓力傳感器結構簡圖1低壓腔低壓腔 2高壓腔高壓腔 3硅杯硅杯 4引線引線 5硅膜片硅膜片 采用采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜鍍半導體

6、電阻應變薄膜. 工作原理：工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產生變形，膜片上各點產生應力。膜片兩邊存在壓力差時，膜片產生變形，膜片上各點產生應力。 四個電阻在應力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，四個電阻在應力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出輸出 相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 四個電阻的配置位置四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應力按膜片上徑向應力r和切向應力和切向應力t的分布情況確定。的分布情況確定。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr設計時，適當安排電阻的位置，可以組成差動電橋。設

7、計時，適當安排電阻的位置，可以組成差動電橋。 擴散型壓阻式壓力傳感器特點擴散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點優(yōu)點: 體積小，結構比較簡單，動態(tài)響應也好，靈敏體積小，結構比較簡單，動態(tài)響應也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應高，便于生產，成本低。和蠕變小，頻率響應高，便于生產，成本低。缺點缺點: 測量準確度受到非線性和溫度的影響。智能壓測量準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阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進行補償。補償。 2.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導體的壓阻效應

8、半導體的壓阻效應2.2.2 體型半導體應變片體型半導體應變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償2.2.4 壓阻式加速度傳感器 它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴散電阻擴它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴散電阻擴散在其根部兩面散在其根部兩面 。擴散電阻擴散電阻質量塊質量塊基座基座應變梁應變梁a2.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導體的壓阻效應半導體的壓阻效應2.2.2 體型半導體應變片體型半導體應變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳

9、感器壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償2.2.5 測量橋路及溫度補償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調、零位溫漂、由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調、零位溫漂、靈敏度溫度系數和非線性等問題，影響傳感器的準確性。靈敏度溫度系數和非線性等問題，影響傳感器的準確性。減少與補償誤差措施減少與補償誤差措施 1. 恒流源供電電橋恒流源供電電橋 2. 零點溫度補償零點溫度補償 3. 靈敏度溫度補償靈敏度溫度補償1. 恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動電路恒流源供電的全橋差動電路 假設假設RT為溫度引起的電阻變化為溫度引起的電阻變化 IIIADCABC21電橋的輸出為電橋的輸出為RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210 電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關，因此測量不受溫度的影響。但與溫度無關，因此測量不受溫度的影響。2.溫度漂移及其補償UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移 零