压阻式传感器
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R l E l R
半导体材料的电阻值变化,主要是由电阻率变化引起的,而电阻率ρ的 变化是由应变引起的。 半导体单晶的应变灵敏系数可表示
K
R / R
lE
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关,它随杂质的增加而 减小
1.2 压敏电阻分类
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电
发生显著变化,这种现象称为半导体压阻效应。
压阻式传感器的灵敏系数大,分辨率高。频率响应高,体
积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
因为半导体材料对温度很敏感,因此压阻式传感器的温度 误差较大,必须要有温度补偿。
1.1压阻效应
R (1 ) R
金属材料 半导体材料
此外,在石油工业中,硅压阻式压力传感器用来测量油井压力, 以便分析油层情况。压阻式加速度计作为随钻测向测位系统 的敏感元件,用于石油勘探和开发。在机械工业中,可用来 测量冷冻机、空调机、空气压缩机、燃气涡轮发动机等气流 流速,监测机器的工作状态。在邮电系统中,用作地面和地 下密封电缆故障点的检测和确定,比机械式传感器精确和节 省费用。在航运上,测量水的流速,以及测量输水管道,天 然气管道内的流速等。
整理后得
U sc
R U R RT
如RT = 0,即没有温度影响,则
U sc U R R
此式说明电桥输出与 R/R 成正比,即与被测量成 正比;同时又与 U 成正比,表明电桥的输出与电源电 压的大小与精度都有关。 如 RT≠0时,则 Usc 与 RT 有关,也就是说与温度有 关,而且与温度的关系是非线性的,所以用恒压源供 电时,不能消除温度的影响。
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内,硅的压阻效应是可逆的,即在应力作用下硅
的电阻发生变化,而当应力除去时,硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同,即对不同的晶轴方向其压阻
系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多,但是有时
还是不够。因此为了进一步增大灵敏度,压敏电阻常常扩散(安装) 薄的硅膜上,让硅膜起一个放大作用。
扩散电阻
基座
a
质量块
应变梁
5. 压阻式传感器的测量电路
5.1 压阻式传感器的测量电路
(1)恒压源供电
假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为 R,当有 应力作用时,两个电阻的阻值增加,增加量为DR, 两个电阻的阻值减小,减小量为 -DR ;另外由于温 度影响,使每个电阻都有 DRT 的变化量。根据图, A 电桥的输出为
整理后得
U sc IR
电桥的输出与电阻的变化量成正比,即与被测量 成正比,当然也与电源电流成正比,即输出与恒 流源的供给电流大小与精度有关,不受温度影响, 这是恒流源供电的优点。
5.2 减小在扩散工艺中的温度影响
1.将四个电桥电阻尽量集中于一个小的范围 在扩散电阻形成的工艺过程中,光刻、扩散等工艺会 引起电阻条宽度或杂质浓度发生偏差。导致各电阻值和 温度系数互不相等,造成电桥的不平衡,电桥的输出特 性就会受到温度影响。
压阻式传感器
1. 半导体的压阻效应 2. 体型半导体应变片 3. 扩散型压阻式压力传感器 4. 压阻式加速度传感器 5. 压阻式传感器的测量电路 6. 压阻式传感器的应用
1. 半导体的压阻效应
固体材料受到压力后,它的电阻率将发生一定的变化,所
有的固体材料都有这个特点,其中以半导体最为显著。
当半导体材料在某一方向上承受力时,它的电阻率将
电桥输出电压与ΔR / R成正比,输出电压受环境温度的影响。
恒流源
U 0 I R
电桥输出电压与ΔR成正比,环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高,这为它的应用提供 了有利条件。另外,由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点,扩大了半导体应变片的使用范围。 其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大(由于晶 向、杂质等因素的影响)以及在较大应变作用下非线性误差大等, 给使用带来一定困难。
6. 压阻式传感器的应用
由于具有频响高、体积小、精度高、测量电路 与传感器一体化等特点,压阻式传感器相当广 泛地应用在航天、航空、航海、石油、化工、 动力机械、生物医学、气象、地质地震测量等 各个领域。 1.生物医学上的应用 小尺寸,高输出和稳定可靠的性能,使得压 阻式传感器成为生物医学上理想的测试手段。
4 3 1 3 57 86 4 2 8 5
6 1
7 Usc
2
2.采用复合电阻条减少温度影响 如图所示,在( 100 )面上配置了 8 个电阻条,相互 对它们自己中心对称,按图中方式连成电阻桥。这样, 电桥的每一臂都由对中心点对称的两个电阻构成复合 电阻,即1和2,3和4,5和6,7和8,使得电桥每一臂 电阻值和温度系数都可做得很接近,所以电桥零点不 随温度变化,也没有零点漂移,表现出良好的温度特 性。
(a):注射针型压阻式压力传感器 (b):内心导管中的压阻式压力传感器 (c):脑压传感器
2.爆炸压力和冲击波的测量 在爆炸压力和冲击波的测试中,广泛应用压阻式压力传感器。 3.汽车上的应用 用硅压阻式传感器与电子计算机配合可监测和控制汽车发动机 的性能,以达到节能目的。此外还可用来测量汽车启动和刹车 时的加速度。 4.兵器上的应用 由于固有频率高,动态响应快,体积小等特点,压阻式压力传 感器适合测量枪炮膛内的压力。测量时,传感器安装在枪炮的 身管上或装在药筒底部。另外,压阻式传感器也用来测试武器 发射时产生的冲击波。
阻,也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有
两类:一种是利用半导体材料制成黏贴式的应
变片;另一种是在半导体的基片上用集成电路
的工艺制成扩散型压敏电阻,用它作传感器元 件制成的传感器,称为固态压阻式传感器,也 叫扩散型压阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线, 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
Байду номын сангаас
(2)恒流源供电
假设电桥两个支路的电阻相等,即
RABC RADC 2R RT
R -R +RT B A I R +R +RT D R -R +RT R +R +RT C Usc U
故有
I ABC I ADC
1 I 因此电桥的输出为 2
U SC
1 1 U BD I (R R RT ) I (R R RT ) 2 2
半导体电阻率
l = l l E e l
πl为半导体材料的压阻系数,它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关;E为半导体材料的弹性模量,与晶向有关。
R (1 l E ) R
对半导体材料而言,πl E >>(1+μ),故(1+μ)项可以忽略
U sc U BD U ( R R RT ) R R RT R R RT U ( R R RT ) R R RT R R RT
R -R +RT B R +R +RT R +R +RT D U
R +R +RT C Usc
3.2 扩散型压阻式压力传感器特点
优点:体积小,结构比较简单,动态响应也好,
灵敏度高,能测出十几帕的微压,长期稳定性好,
滞后和蠕变小,频率响应高,便于生产,成本低。
测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻 式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行 补偿。
4. 压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁, 如图所示。在其根部扩散出四个电阻,当悬臂梁 自由端的质量块受有加速度作用时,悬臂梁受到 弯矩作用,产生应力,使四个电阻阻值发生变化。
①普通型:它适合于一般应力测量; ②温度自动补偿型:它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因 素自动抵消,只适用于特定的试件材料; ③灵敏度补偿型:通过选择适当的衬底材料(例如不锈钢),并采 用稳流电路,使温度引起的灵敏度变化极小; ④高输出(高电阻)型:它的阻值很高(2~10千欧),可接成电桥 以高电压供电而获得高输出电压,因而可不经放大而直接接入指示仪表。 ⑤超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域, 适用于大应变范围的场合; ⑥P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为 电桥的相邻两臂,从而使温度特性和非线性特性有较大改善。
2.1 结构型式及特点
主要优点 • 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍
• 横向效应和机械滞后极小 • 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
2.2 测量电路
恒压源
U 0 UR /( R Rt )
3.1 结构类型
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直 接蒸镀半导体电阻应变薄膜
工作原理:
膜片两边存在压力差时,膜片产生变形,膜片上各点产生应力。四 个电阻在应力作用下,阻值发生变化,电桥失去平衡,输出相应的电压, 电压与膜片两边的压力差成正比。
四个电阻的配置位置:
按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。
3p 2 2 [( 1 ) r ( 3 ) r ] 0 8h 2 3p t 2 [(1 )r02 (1 3 )r 2 ] 8h
r
设计时,适当安排电阻的位置,可以组成差动电桥。