壓阻式傳感器

1、 壓阻式傳感器1. 1. 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2. 2. 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片體型半導(dǎo)體應(yīng)變片3. 3. 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器4. 4. 壓壓阻式阻式加速度傳感器加速度傳感器5. 5. 壓阻式傳感器的測量電路壓阻式傳感器的測量電路6. 6. 壓阻式傳感器的應(yīng)用壓阻式傳感器的應(yīng)用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

2、、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。1.1壓阻效應(yīng) 金屬材料 半導(dǎo)體材料 llEell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)。 )1(RR)1 (ERRl對半導(dǎo)體材料而言，l E (1+)，故(1+)項可以忽略llERR 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ERRKl/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 利用這種效應(yīng)制成的電阻稱為固態(tài)壓敏電

3、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

4、起的靈敏度變化極小； 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。 2.1 結(jié)構(gòu)型式及特點 主要優(yōu)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 2.2 測量電路 恒壓源恒壓源 恒流源恒流源)/(0tRRRUURIU0電橋輸出電壓與R / R成正比

5、，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。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。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 工作原理：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。 )31 ()1(83)3()1

7、(8322022202rrhprrhptr設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。 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。 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。擴散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a5.1 5.1 壓阻式傳感器的

8、測量電路壓阻式傳感器的測量電路（1 1）恒壓源供電）恒壓源供電 假設(shè)四個擴散電阻的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 TTTTTTRRRRRRRRRURRRRRRRRRUUU)()(BDscTRRRUUsc R -R +RT R +R +RT R +R +RT R +R +RT UUscAB C D5. 5. 壓壓阻式傳感器的測量阻式傳感器的測量電路電路 如RT = 0，即沒有溫度影響，則 此式說明電橋輸出與R/R成正比，即與被測量成正比；同時

9、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RT0時，則Usc與RT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。RRUUsc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。TRRRR2ADCABCIII21ADCABC)(21)(21BDSCTTRRRIRRRIUURIUsc U Usc R +R +RT R -R +RTAB C D IR +R +RTR -R

10、 +RT（2 2）恒流源供電）恒流源供電 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。 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。 5 7 8 6 1 4 3

11、 2 1 2 3 4 5 6 Usc 7 85.2 5.2 減小減小在擴散工藝中的溫度在擴散工藝中的溫度影響影響由于具有頻響高、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。 （a） （b） （c） （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 1 3 4 2 2 3 41 5 8 6 7 p 2 1 4 36. 6. 壓壓阻式傳感器的阻式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用 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。 此外，在石油工業(yè)中