壓阻應(yīng)變片式壓力傳感器詳解

第三章傳感器能動(dòng)學(xué)院3.1

壓力傳感器定義：垂直作用在單位面積上的力稱(chēng)壓力。

壓力的單位是“帕斯卡”，簡(jiǎn)稱(chēng)“帕”，符號(hào)為“Pa”。絕對(duì)壓力PJ、大氣壓力PD、表壓力PB真空度PZ（負(fù)壓）

PB=PJ

－PD、PZ＝

PD－PJ測(cè)壓儀表的分類(lèi)：

測(cè)壓儀表液柱式壓力計(jì)依據(jù)重力與被測(cè)壓力平衡的原理制成的，可將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度差進(jìn)行測(cè)量U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)以及斜管壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)依據(jù)彈性力與被測(cè)壓力平衡的原理制成，彈性元件變形的多少反映了被測(cè)壓力的大小。彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)以及膜盒式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)利用一些物質(zhì)與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)壓。電阻應(yīng)變片式、電容式、壓電式、電感式、霍爾式活塞式壓力計(jì)根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。它普遍地被作為標(biāo)準(zhǔn)儀器用來(lái)校驗(yàn)或刻度彈性式壓力計(jì)。3.1壓力傳感器一.電阻式壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻的變化的壓力傳感器。有：電阻應(yīng)變片式壓力傳感器、壓阻式傳感器1.電阻應(yīng)變式壓力傳感器電阻的應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體受機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”

電阻應(yīng)變式壓力傳感器，通過(guò)粘結(jié)在彈性元件上的應(yīng)變片的阻值變化來(lái)測(cè)量壓力值的。用于力、扭矩、張力、位移、轉(zhuǎn)角、速度、加速度和振幅等測(cè)量。3.1壓力傳感器應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：由應(yīng)變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線(xiàn)三部分組成。應(yīng)變敏感元件一般由金屬絲、金屬箔（高電阻系數(shù)材料）組成，它把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻的變化?；透采w層起固定和保護(hù)敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣作用。

金屬箔的厚度通常為0.002～0.008mm。應(yīng)變片厚度小、工作電流大、壽命長(zhǎng)、易批量生產(chǎn)，在應(yīng)力測(cè)量中應(yīng)用廣泛。繞線(xiàn)式應(yīng)變片由一根高電阻系數(shù)的電阻絲排成柵型，電阻為60～120Ω。3.1壓力傳感器電阻應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

膜片式、筒式、組合式

膜片式適用于低壓測(cè)量；筒式適用于高壓測(cè)量；3.1壓力傳感器工作方式：通過(guò)不平衡電橋把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)的輸出。

→

慧斯登電橋半橋：

圖為膜片式應(yīng)變片壓力傳感器，4個(gè)電阻全為工作片，全橋接法：知：ε2＝ε4

,ε1＝ε3，且ε1＝ε3

＝-ε2

＝-ε4

＝-ε則：3.1壓力傳感器2.壓阻式壓力傳感器壓阻效應(yīng):半導(dǎo)體材料在受力時(shí)電阻率發(fā)生變化，這一特性稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。(硅、鍺/石英片、壓電陶瓷等）。電阻變化與應(yīng)變值之間的關(guān)系：式中：靈敏系數(shù)，μ-應(yīng)變材料的泊松比

L、ρ-分別為電阻絲的長(zhǎng)度與電阻率3.1壓力傳感器硅、鍺等半導(dǎo)體材料組成的元件受到壓縮或拉伸時(shí)，其電阻率ρ隨應(yīng)力()的變化率遠(yuǎn)大于一般電阻材料的靈敏系數(shù)，因此，引起半導(dǎo)體材料電阻相對(duì)變化的主要原因是壓阻效應(yīng)：

式中：—壓阻系數(shù)；E—彈性摸量；σ—應(yīng)力；—應(yīng)變上式表明壓阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)的。

擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅，單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣，而取向是用晶向表示的，所謂晶向就是晶面的法線(xiàn)方向。3.1壓力傳感器3.1壓力傳感器3.1壓力傳感器優(yōu)點(diǎn)：

靈敏系數(shù)高，k=30～175（而電阻絲其值約在1.6～3.6之間)；

機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小及本身體積小。缺點(diǎn)：

溫度溫度性差：半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)大，且靈敏度系數(shù)隨溫度的變化也相當(dāng)大。

靈敏系數(shù)的非線(xiàn)性度較大：靈敏系數(shù)高，在承受大應(yīng)變作用時(shí)，引起的電阻變化教大，靈敏度系數(shù)失去線(xiàn)性。3.1壓力傳感器體形（bulk)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片是從單晶硅或鍺切下薄片制成，主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，橫向效應(yīng)和機(jī)械之后極小；溫度穩(wěn)定性和線(xiàn)性度比金屬電阻應(yīng)變片差的多。3.1壓力傳感器擴(kuò)散型（diffusion)壓阻式壓力傳感器

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)變膜片3.1壓力傳感器工作原理：

膜片兩邊存在壓差時(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分布情況確定。

設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)安排電子的位置，可以組成差點(diǎn)電橋。3.1壓力傳感器擴(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)出十幾帕德微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，之后和蠕變小，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(xiàn)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)費(fèi)線(xiàn)性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。3.1壓力傳感器壓阻式加速度傳感器：

它的懸臂梁直接用單晶硅制