传感器课件第三章

但敏感栅的直线各段的拉应变ε l， 而圆弧上各微段轴向应变不是ε l，如在θ =π /2微圆弧处，丝的轴 向压应变ε r=-μ ε l，该段电阻反而减小；弧其它各段轴向应变由拉 应变和压应变组成，-----应变的横向效应,从+εl到-μεl之间。 总之，应变片受应变时电阻变化与纵向应变、横向应变有关。

R R R t K 0( g m)t R R R / R R t [ ( g m)]t 令 0 K0 K0
K0为应变灵敏系数
R K 0( g m )
2.
蠕变自补偿应变计
蠕变微调的结构：全桥式应变计，其R1、R2、R3、R4为应变电桥， 蠕变可调器：虚线框A1、A2、A3、A4。当切割短路环A1时可改变蠕变量 0.0002FS/30min；A2的调节量是A1的一倍，依次A3是A2的一倍，A4是A3的 一倍；可以精确地调节蠕变，进行蠕变自补偿。
金属箔厚度为0.003～0.01 mm康铜
金 属 薄 片
基 片
箔 式 应 变 片 的 结 构 图
L
厚度为0.03～0.05 mm的胶质膜或树脂膜
3. 薄膜应变片
薄膜被直接沉积在弹性基底上，光刻形成应变计. 优点:具有无滞后和蠕变、稳定性好等，适合于制作高内阻、小型化、 高精度的力敏器件。
三、金属应变片的参数
因此，R口的选择必须同时兼顾上述物理量。
② W的选择 ∵电阻单位面积的功耗PS为：
在满足版图布局要求的条件下，电阻条应尽量宽。 若电阻条加宽，流过的电流减小，性能稳定。
3、SOI外延扩散型半导体应变计
若在硅衬底内扩散一定杂质构成敏感栅，与衬底间由PN结隔离，在 150℃以上隔离效果恶化,使两者之间电流泄漏。 更可靠的工艺是SOI工艺（Silicion technique on insulator）， 即外延生长半导体Si薄膜,再扩散掺杂形成应变计。适用于制备150～ 200℃左右高温环境的各种压力传感器。
l
l F r r
F
R R R dR dl ds d l s

s dl
l
s2
l ds d s
（2）
l ds l dl (1 ) d s dl s s
若s=π r2，ds=2π r dr，即ds/s=2 dr/r，则
（2） K叫做应变计因子或材料的灵敏系数。 半导体的压阻系数π 很大，K主要由π E决定， 即： 一般K在50～100之间，比金属的灵敏度高很多。
二、压阻系数
立方晶系，将坐标轴方向取在晶轴方向，六种 外力即沿x,y,z的轴向应力T1、T2、T3和与yz、zx、 xy面平行并使面分别绕x、y、z轴转动的剪切力 T4、T5 、T6；使x、y、z轴向上电阻率的相对变 化为：(⊿ρ/ρ)1、(⊿ρ/ρ)2、 (⊿ρ/ρ)3， 使yz、 T1 xz、xy 剪切面上电阻率的相对变化为：(⊿ρ/ρ)4、 x (⊿ρ/ρ)5、(⊿ρ/ρ)6。
表面护膜 电极 氧化膜 层间绝缘膜 衬底
敏感栅电阻
SOI上电阻
4、剪切型半导体应变计
利用剪切压阻系数较大的特性可制作只能感受剪切应力的敏感栅元 件。应用时剪切应力作用对应的电压输出可完全反映剪切应力的大小。
电压正比于电阻变化率----
R lTl tTt R
+
V out
i
-
Vs
剪切型半导体应变计 或 X型应变计工作原理图
5、 薄膜型半导体应变计
有非晶硅薄膜应变计和多晶硅薄膜应变计。纯非晶硅没有压阻效应， 用10nm微晶与非晶混合可产生压阻效应。
多晶硅中晶粒的排列是无序的，不同晶粒有不同的单晶取向，晶粒的 大小对压阻效应有影响：晶粒越大，应变灵敏系数越大（单晶为最大）。 多晶硅的电阻率为：
N为载流子密度，μ 为迁移率
6.绝缘电阻----敏感栅与基底间的绝缘电阻值应大于1010Ω ，若此值太小，则
基片使金属箔短路。
a
b
n %
11
0 0.1
0.3
0.5
0.7
11mm
-0.040 -0.080 -0.120
11
c
1
应变计的蠕变变化率（n）与应 变计端环长度（l1）的关系
四、温度和蠕变补偿应变计
1.温度自补偿应变计
应变材料的电阻温度系数α R，将应变计装
可见，当金属丝受应变时电阻的相对变化率dR/R与金属丝纵向应 变成正比。
二、金属应变片的结构和分类 典型结构：1、金属电阻丝（敏感栅---转换元件）
2、基底（是将应变传递到敏感栅的中间介质，并使电阻
丝与试件间绝缘）。 3、覆盖层（保护）。 4、引出线。
3覆盖层
粘合剂
1敏感栅
2基底
4引线
r
l
L
分类：
在有膨胀系数的弹性体材料上，且电阻的线膨胀系数（βg）与基片的线
膨胀系数（βm）相匹配，即：
电阻丝的热膨胀的附加变形ΔL’： ΔL’= Lg - Ls =（βg- βm）L0Δt
附加应变Δ ε’： Δε’=ΔL’/L0=（βg- βm）Δt
膨胀附加电阻ΔR’为： ΔR’= K0 R0 Δε’= K0 R0 （βg- βm）Δt 温度引起的电阻变化： 虚假应变为：
X
x y z L1 m 1 n 1 L2 m2 n2 2
Tt l Tl =T11 3 1
若在某个晶向上受纵向应力Tl与横向应力Tt，此 方向上电阻的相对变化为：
电阻与晶轴有夹角的应力示意图
R lTl tTt R
二、半导体应变片
1、体型半导体应变计
结构：硅条、内引线（金丝）、 基底（绝缘胶膜）、电极（连接点 康铜箔）、外引线（镀银铜导线）。
铝或金电极
灵敏系数高；
在衬底上可形成半桥或全桥结构， 使温度特性及稳定性都较好；
SiO 2
与IC工艺兼容，可使其微型化、达
到集成化、智能化，是目前最常用的一 种压力敏感元件。 电阻的设计：阻值范围根据应用 场合，从几百欧姆到几千欧姆；形 状一般选用直线式和折线式两种形
硅衬底
扩散型半导体应变计的结构
w
R4 A4 R2 A2
蠕 变 可 调 应 变 计 图
A1 A3 R3 R1
3.1.2
半导体应变片
一、压阻效应----半导体材料受到应力作用时晶格间距发生变化，使其
电阻率发生变化的现象。
1、半导体的电阻率的相对变化与应力T成正比：
π为材料的压阻系数， E为弹性模量 （1）
2、其电阻的相对变化与金属相同：
3.1.1 金属应变计
一、基本原理----金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其
阻值大小发生变化的现象，即将应变转换为电阻变化的金属电阻应
变效应。
应变计------在弹性元件上粘贴电阻应变片构成传感器。
∵ ① 金属导线的电阻与长度成正比、面积成反比
② 应变效应示意图： 受外力F拉伸时，l增加，s减小，使R增加
1．丝式应变片（回线式和短接式）
① 回线式应变片 原理：直线金属丝受单向拉伸时，每段电阻都增加，总电阻的增加
为各段电阻增量之和，任一微段上所受的应变都相同， 故: R R1 R 2 R 3 Rn R1K R 2 K R 3 K
l1 l2 L K K ... K s s s
（3）
r称金属丝的横向应变；ε 称金属的纵向应变； μ 泊松系数，是横向线度相对缩小和纵向线度相对伸长之间的固定比例。 一般μ 在弹性范围内为常数
(2) 两边同除R得：
k0为灵敏系数。 ( dρ /ρ )/ε ----压阻系数：形变的晶格畸变引起电阻率
随ε 的变化。
金属的k0等于1+2μ ，即仅由形状变化引起。
第三章 力/压力敏传感器
Force/pressure sensors
1、定义：将力/压力等力学量信号变成电信号的装置
2、可测对象：与机械应力有关信号：力和压力，负 荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，称为 力学量传感器。是支撑工业过程自动化的传感器之一。 3、分类： 应用普遍的：电阻式、压电式、电容式、变磁阻式、 光纤式等等。 传统的如弹簧：成本低、不需电源，但体积大、笨重、 输出非电量。 发展了声表面波压力传感器、磁致伸缩型压力传感器、 电位式压力传感器等。 4、发展方向：半导体压力传感器正向集成化和智能 化。
其理论公式为：
L为金属丝总长，r为圆弧半径，n为敏感栅直线段数目
直线绕成敏感栅后K0 比直线的小
② 短接式应变片
数根等长金属丝平行放置，用直径比金属丝大5～10倍镀银丝焊接。 优点：克服了回线式应变片的横向效应。 缺点：焊点在冲击振动时易疲劳破坏。
2. 箔式应变片
---很薄的金属片粘于基片，经光刻﹑腐蚀等，接电极，涂覆覆盖层。 优点：尺寸准确，线条均匀，性能稳定，散热好，寿命长，但K0较低,仅 为2～6 。
保护膜
图，用低压等离子化学气相 沉积（LPCVD）在SiO2基片上 沉积一层多晶硅薄膜敏感栅 成惠斯顿电桥等。
敏感栅(si)
蒸镀电极 Au
绝缘膜SiO2 半导体或金属基片
3.1.3
应变计的测量原理和测量线路
Measurement principle and circuit
---R1、R3和R4固定,R2随应变变化
一、直流电压源单臂电桥
1.平衡条件
a R1 R2 R3 R4 b E
I
在不考虑温度下，单臂桥的输出电压为： （1） 选R2的零应变电阻值使电桥达到平衡，即 输出电压为零。即：平衡条件
三、任意方向应变电阻的压阻系数
Z
电阻（电流）方向和应力（晶轴方向）不同。 设电阻纵向、横向与晶轴方向夹角的余弦为：l1、m1、 n1和l2、m2、n2，任意晶向压阻系数的基本公式为：