壓阻式傳感器

關(guān)于壓阻式傳感器第1頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)特點(diǎn)，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(shí)，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(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)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(bǔ)償。第2頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1壓阻效應(yīng)

金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻率πl(wèi)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)。第3頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項(xiàng)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ρ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)的增加而減小第4頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月利用這種效應(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(kuò)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(kuò)散型壓阻式傳感器。1.2壓敏電阻分類第5頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shù)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。

①普通型:它適合于一般應(yīng)力測(cè)量；

②溫度自動(dòng)補(bǔ)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(dòng)抵消，只適用于特定的試件材料；③靈敏度補(bǔ)償型：通過(guò)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?。?/p>

④高輸出（高電阻）型：它的阻值很高（2～10千歐）,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。

⑤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(chǎng)合；

⑥P-N組合溫度補(bǔ)償型:它選用配對(duì)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。

第6頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)

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(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多第7頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(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-外引線第8頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2測(cè)量電路恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒(méi)有影響。第9頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，這為它的應(yīng)用提供了有利條件。另外，由于機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小以及它本身體積小等特點(diǎn)，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。

其最大的缺點(diǎn)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(lái)一定困難。2.3半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)缺點(diǎn)第10頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.擴(kuò)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(shí)，硅的電阻又恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值。硅的壓阻效應(yīng)因晶體的取向不同而不同，即對(duì)不同的晶軸方向其壓阻系數(shù)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(shí)還是不夠。因此為了進(jìn)一步增大靈敏度，壓敏電阻常常擴(kuò)散（安裝）薄的硅膜上，讓硅膜起一個(gè)放大作用。第11頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1結(jié)構(gòu)類型壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)變薄膜第12頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：

膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)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(gè)電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定。設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動(dòng)電橋。第13頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)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(cè)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(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。第14頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(kuò)散出四個(gè)電阻，當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受有加速度作用時(shí)，懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力，使四個(gè)電阻阻值發(fā)生變化。擴(kuò)散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a第15頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1壓阻式傳感器的測(cè)量電路（1）恒壓源供電假設(shè)四個(gè)擴(kuò)散電阻的起始阻值都相等且為R，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)電阻的阻值增加，增加量為DR，兩個(gè)電阻的阻值減小，減小量為-DR；另外由于溫度影響，使每個(gè)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(cè)量電路第16頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

如RT

=0，即沒(méi)有溫度影響，則

此式說(shuō)明電橋輸出與DR/R成正比，即與被測(cè)量成正比；同時(shí)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DRT≠0時(shí)，則Usc與DRT有關(guān)，也就是說(shuō)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(shí)，不能消除溫度的影響。第17頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月假設(shè)電橋兩個(gè)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(cè)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(diǎn)。（2）恒流源供電第18頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.將四個(gè)電橋電阻盡量集中于一個(gè)小的范圍在擴(kuò)散電阻形成的工藝過(guò)程中，光刻、擴(kuò)散等工藝會(huì)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(huì)受到溫度影響。

5.2減小在擴(kuò)散工藝中的溫度影響第19頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)電阻條，相互對(duì)它們自己中心對(duì)稱，按圖中方式連成電阻橋。這樣，電橋的每一臂都由對(duì)中心點(diǎn)對(duì)稱的兩個(gè)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(diǎn)不隨溫度變化，也沒(méi)有零點(diǎn)漂移，表現(xiàn)出良好的溫度特性。第20頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)量電路與傳感器一體化等特點(diǎn)，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(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)、氣象、地質(zhì)地震測(cè)量等各個(gè)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(cè)試手段。第21頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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）：腦壓傳感器第22頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.爆炸壓力和沖擊波的測(cè)量在爆炸壓力和沖擊波的測(cè)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(jì)算機(jī)配合可監(jiān)測(cè)和控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，以達(dá)到節(jié)能目的。此外還可用來(lái)