压阻式传感器
mems压阻式传感器工作原理
mems压阻式传感器工作原理
Mems压阻式传感器是一种基于微机电系统(Microelectromechanical Systems, MEMS)技术制造的压力传感器，通过测量薄膜电阻的变化来检测压力的变化。
工作原理如下：
1. 薄膜制备：在压阻式传感器的芯片上制备一层薄膜，通常使用硅材料制成。
2. 压力感应：当外部施加压力到传感器上时，薄膜会发生变形，变形程度与压力的大小成正比。
3. 电阻变化：薄膜上有一系列的电阻，这些电阻会随着薄膜的变形而发生改变。
通常，薄膜上的电阻布局为一系列细长电阻条，形成一个电桥电路。
4. 电桥电路：电桥电路是由两个电阻共享电流的分压电路。
薄膜上的电阻条为电桥电路提供输入电阻。
当薄膜发生变形时，电桥的电阻比例会发生变化，从而改变了电桥的电压输出。
5. 信号处理：电桥的电压输出信号经过相关的放大和滤波电路进行处理，并转换成数字信号。
6. 压力测量：通过测量电桥输出信号的变化，可以判断外部压力的大小和变化。
Mems压阻式传感器因其小型化、高精度和低功耗等特点，在压力、重力、加速度等方面的测量中得到广泛应用。
压阻式传感器
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。
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。
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，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。
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。
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。
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压力传感器原理及其应用
压阻式压力传感器是一种将压力转化为电阻变化的传感器。
它的原理是通过在压力敏
感器中引入一种敏感元件，使得该元件受到外界压力作用的同时，产生一定的电阻变化。
基于该原理，可以利用电路的测量手段来检测并量化外界的压力变化。
压阻式压力传感器对于检测压力变化的应用非常广泛。
例如在液压设备、空气压缩机、汽车发动机和气象设备等领域都有着大量的应用。
压阻式压力传感器的敏感元件通常采用金属或半导体材料。
当外界施加压力时，这些
材料中的电子受到了外界力的牵引，电子与其周围原子发生了位移，从而导致元件内部的
电阻值发生变化。
因此，可以通过测量电阻值的变化来确定外界压力的大小。
利用上述原理，可以设计出各种不同类型的压阻式压力传感器。
例如，利用半导体材
料的薄膜式压力传感器，由于其结构简单、价格便宜、响应速度快等优点，成为了广泛应
用的一种传感器。
此外，压阻式压力传感器还可以根据其输出信号类型分为模拟输出和数字输出。
模拟
输出的压力传感器根据压力变化输出一个模拟电压，这个电压值与压力大小成一定比例关系。
而数字输出的压力传感器则是将变化后的电阻值转化为数字信号输出。
总的来说，压阻式压力传感器是现代工业自动化、环保、气象、医疗等领域不可缺少
的传感器之一。
它可以将外界的压力变化转化为电信号输出，便于不同领域进行数据采集、检测和控制。
压阻式压力传感器
压阻式压力传感器1. 引言压阻式压力传感器是一种用于测量压力的传感器。
该传感器的工作原理是通过应变电阻的变化来检测受力物体的压力。
它广泛应用于工业控制、汽车制造等许多领域。
本文将介绍压阻式压力传感器的工作原理、特点以及应用。
2. 工作原理压阻式压力传感器的工作原理基于应变电阻效应。
当传感器受到压力作用时，传感器内的金属薄片或薄膜会发生形变，导致金属材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，我们可以得知受力物体的压力大小。
通常，压阻式压力传感器由两个电极之间夹着一层薄膜或薄片构成。
当压力作用在传感器上时，薄膜或薄片会发生拉伸或压缩，从而改变电流的通道，使电阻值发生变化。
这种变化可以被测量电路检测到并转换为相应的电压或电流信号。
3. 特点压阻式压力传感器具有以下特点：•灵敏度高：由于应变电阻效应是线性的，压阻式压力传感器在测量范围内具有较高的灵敏度。
•稳定性好：传感器内部的金属材料通常经过特殊处理，以增加其稳定性和可靠性。
•宽测量范围：压阻式压力传感器可以适应广泛的测量范围，从几千帕到几百兆帕不等。
•耐用性强：传感器通常采用金属或陶瓷材料制成，具有较好的耐用性。
4. 应用压阻式压力传感器在许多领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：4.1 工业控制压阻式压力传感器可用于测量流体压力，如液体或气体。
在工业控制中，压力传感器常被用于监测管道或容器中的压力变化，以确保系统正常运行。
4.2 汽车制造压阻式压力传感器在汽车制造中起着重要作用。
它们可用于测量发动机燃油压力、轮胎气压等数据，以确保汽车的安全性和性能。
4.3 医疗设备压阻式压力传感器在医疗设备中也有应用。
例如，它们可用于测量患者的血压、呼吸气道压力等数据，以协助医生进行诊断和治疗。
4.4 环境监测压阻式压力传感器可用于环境监测，如大气压力、海洋水深等数据的测量。
这些数据对于气象研究、海洋科学等领域非常重要。
5. 总结压阻式压力传感器是一种用于测量压力的重要传感器。
第 十五 章 压阻式传感器
3
<011> <001> <011>
<010>
<010>
2
<011>
<001>
<011>
三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与杂质浓度的关系 、
P型Si（π44) 型 （
π11
或
π44
N型Si（π11) 型 （ 表面杂质浓度N 表面杂质浓度 s（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小 扩散杂质浓度增加， 扩散杂质浓度增加
分析
• • • • • • 正向压阻系数相等 横向压阻系数相等 剪切压阻系数相等 切应力不可能产生正向压阻效应 正向应力不可能产生剪切压阻效应 剪切应力只能在剪切应力平面内产生压 阻效应
压阻系数矩阵
0 0 π 11 π 12 π 12 0 π π 11 π 12 0 0 0 21 π 12 π 12 π 11 0 0 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 π 44 0
– π44 ≈0 ， π12 ≈ -1/2π 11、 ， 、
关于方向余弦
某晶向<x,y,z>的方向余弦为： 的方向余弦为： 某晶向 的方向余弦为
l= m= n= x x +y +z
2 2 2
= cos α = cos β = cos γ
y x +y +z
2 2 2
z x2 + y2 + z2
例1：计算（100）晶面内〈011〉 ：计算（ ）晶面内〈 〉 晶向的纵向与横向压阻系数
∴
总结压阻式压力传感器的一般检测方法
总结压阻式压力传感器的一般检测方法压阻式压力传感器是一种常用的测量压力的传感器，其原理是基于材料的压阻效应。
为了确保传感器的准确性和稳定性，需要进行一般的检测方法。
以下是总结的一般检测方法：1. 外观检查：首先，对压力传感器进行外观检查，包括检查传感器外壳是否完整、有无损坏，是否有明显的划痕或变形等。
确保传感器外观正常可靠。
2. 线路连接检查：检查传感器的电气连接，包括检查传感器与接收器之间的线路连接是否正确牢固，检查所有电连接器是否无松动或断裂。
确保传感器与电路之间的连接良好。
3. 零点检测：通过此检测方法，测量压力传感器在无压力状态下的输出信号。
将传感器暴露在零压条件下，记录输出信号。
正常情况下，压力传感器在无力作用时应输出稳定的零信号。
4. 线性度检测：线性度是指压力传感器输出与输入压力之间的直线关系。
可通过在一定范围内施加等间隔的压力，记录传感器的输出信号。
然后，根据斜率和截距计算其线性关系。
理想情况下，传感器应该有良好的线性关系。
5. 灵敏度检测：灵敏度是指压力传感器输出信号与输入压力变化之间的关系。
可以通过在不同压力范围内改变输入压力，并记录传感器的输出信号，计算出输出信号相对于输入信号的变化量。
传感器的灵敏度应保持稳定并与规格相符。
6. 温度特性检测：压力传感器的温度特性直接影响其测量的准确性。
进行温度特性检测时，将传感器暴露在不同的温度环境下，并记录传感器的输出信号。
比较传感器在不同温度下的输出，确保传感器对温度的响应在规格范围内。
总之，以上是总结的压阻式压力传感器的一般检测方法，通过这些方法可以确保传感器的质量和性能符合要求，提供可靠准确的压力测量结果。
压阻传感器的原理与结构
2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
1—靶,2—阴极, 3—直流高压, 4—阳极,5—基片, 6—惰性气体入口, 7—接真空系统。
4.压阻式传感器的制造工艺
1.薄膜技术---化学气相淀积 化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与 另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积 物质,淀积在基底上生成薄膜。
(a )
(b )
(c)
压阻式传感器的制造工艺
2.微细加工技术---表面腐蚀加工
该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种 悬式结构。
Si3 N4 SiO2
N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
5.压阻式传感器的测量电路
压阻式传感器的测量电路
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
2.压阻式传感器的结构
压阻式传感器的结构
压阻传感器采用集成工艺将电阻条集成在单 晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周 边固定封装于外壳之内，引出电极引线（如 图）。压阻式压力传感器又称为固态压力传感 器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元 件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被 测压力的。图中硅膜片的一面是与被测压力连 通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形。在圆形硅 膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全 桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应 力区，相对于膜片中心对称。
1.薄膜技术---真空蒸镀
2 1 3
4
在真空室内,将待蒸发的材料 置于钨丝制成的加热器上加热,当 真空度抽到0.0133Pa以上时,加大 钨丝的加热电流,使材料融化,继续 加大电流使材料蒸发,在基底上凝 聚成膜。
压阻式传感器
（4）压阻式传感器的应用
压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力 传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化， 已有直径为0.8mm的压力传感器。
➢ 恒流工作测压电路
传感器为需恒流1.5mA驱 动的扩散硅绝对压力传感器。
当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的 电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片 所受压力差值。
(a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。
（3）压阻式传感器的温度漂移
由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化 影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。
半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载 流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。
❖ 半导体应变片的制作方法
1. 将半导体材料按所需晶向切割成片或条，
粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅
使用，称作“体型半导体应变片”。
2. 将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。
（1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理 （3）压阻式传感器的温度漂移 （4）压阻式传感器的应用
（1）半导体材料的压阻系数
材料电阻的变化为
R 1 2
R
对半导体材料， 1 2 ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化
可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即 R
❖ 半导体电阻应变片的测量电路
一般采用直流电桥电路，但须 采用温度补偿措施，如图所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
感
h2 k2 l2
器
C
i
k1
l1 j h1
l1 k h1
k1
k2 l2
h2 l2
h2 k2
16
第 例：求与两晶向都垂直的第三晶向
13
章
压 已知：A 110
B 001
阻
已知：
A
111
B 110
式
传
i
jk
C A B 1 1 0
感
001
器
10 10 11
i
j
k
01 01 00
17 1 1 0
代替）
阻
h, k , l •表示晶面
式
传
h, k , l •表示晶面簇
感 ✓对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l) 器 晶面的法线方向；
✓{h,k,l}晶面簇的晶面都与（h,k,l)晶面平行。
12
第
例：
13
章
z
压
1
阻
1
y
Байду номын сангаас
z 4
-2
y x
式
1
-2
传 x •晶向、晶面、晶 •晶向、晶面、晶
p
p
p
压
x y z 1
阻
rst
cos : cos : cos 1 : 1 : 1
式
r st
传 取1 :1 :1 h:k :l r st
感
三个没有 公约数的
器
密勒指数
整数
密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公
约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）
11
第
表示方式
13
章
压
h, k , l •表示晶向（逗号可以用空格
感
面族分别为：
面族分别为：
器
1,1,1
2, 2,1
1,1,1
2, 2,1
1,1,1
13
2, 2,1
第 例： （特殊情况）
13
章
压
z
阻
0,0,1
式
传
感 1,0,0
器
x
0,1,0
y
14
第
判断两晶面垂直
13
章
压
•两晶向：A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:
阻
定义： A B h1h2 k1k2 l1l2
式
敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，工作频带宽， 合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从静态至100千赫兹。
传 受温度影响大: 须温度补偿、或恒温使用。
感
由于微电子技术的进步，四个应变
电阻的一致性可做的很高，加之计
器
算机自动补偿技术的进步，目前硅
压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传
压 2）半导体压阻效应：半导体（单晶硅）晶片受到外
阻 力作用，产生肉眼无法察觉的极微小应变，其原子 结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电
式 阻率产生剧烈的变化，表现在由其材料制成的电阻
传 器阻值发生极大变化。
感
3）固态压阻传感器：利用压阻效应原理，采用集成 电路制作等一些特殊工艺，在单晶硅片上沿特定晶
13
章
1）开始研制于1960s。以气、液压力为检测对象， 与膜盒式、电感式、电容式、金属应变片式及
压
半导体应变片式传感器比较，技术上有明显优 势，目前仍是压力测量领域主要产品。
阻 2）由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取
式
代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代 中期以后，在传感器市场上占有很大比例，并
式
传 垂直： A B h1h2 k1k2 l1l2 0
感
器 不垂直： A B h1h2 k1k2 l1l2 0
15
第 求与两晶向都垂直的晶向
13
章
压
•两晶向：A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:
阻
•晶向C <h3,k3,l3>与A、B都垂直，则:
式
i
jk
传
C A B h1 k1 l1
传
E
感
器 压阻系数 应力 应变E－弹性模量
R E 1 2
R
6
第 对半导体： 401011 ~ 801011m2 / N
13
章
E 1.671011 N / m2
压
K s E 50 ~ 100
阻 压阻效应的原因:
式 应力作用
晶格变形
传
感 载流子浓度和迁移率变化
第
i
jk
13
章
C A B 1
1
1
压
1 1 0
阻
1 i
1 11 1
j
k
1
式
1 0 1 0 1 1
传 112
感
器
18
第
13
章 压 阻 式 传 感 器
19
§13.3 压阻系数
一、单晶硅的压阻系数
3
器 向生成电阻，组成电桥，并利用硅的力学特性，在
同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集应力敏感
与力电转换于一体的力学量传感器。
2
第
压阻式传感器分类
13
章 ➢粘贴型压阻传感器：半导体应变片
压 ➢ 固态压阻传感器（扩散型压阻传感器）：应变电 阻 阻与硅基片一体化
式
传
感
器
半导体应变片
3
固态压阻传感器
第
应用情况
传 与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。
感
3）目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件 技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它
器 能做成单片式多功能复合敏感元件构成智能传 感器，倍受欢迎。
4
第
13
章 压 阻 式 传 感 器
5
第 压阻效应：
13
章
R l
s
压 阻
R l s
R
l
s
式
1 2
能带结构变化
器
7
第
压阻式传感器的特点
灵敏度高: 13
硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故
章
相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接
口电路无特殊要求，应用成本相应较低。
压 分辨率高: 小量程对应高分辨率。
阻 体积小、重量轻、频率响应高:芯体采用集成工艺， 无传动部件，体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，
感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
8
第
§13.2 晶向的表示方法
13
章
基本概念：
压 1)半导体单晶硅是各向异性材料;
阻
2)硅是立方晶体，按晶轴建立座标系; 3)晶面：表示原子或离子的分布形态。原子或离
式 子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;
传
4)晶向：单晶硅的受力或者电阻测量取向，为晶 面的法线方向。
第
第13章 压阻式传感器
13
章 主要内容：
压 1）压阻式传感器的工作原理—
阻
半导体压阻效应
式 2）压阻系数、阻值变化的计算
a、压阻系数与任意方向阻值变化的计算
传
b、晶向与密勒指数
感 3）典型压阻式传感器原理分析
器 4）温度漂移及其补偿
1
第
§13.1 概述
13
章
1）压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时， 其电阻率（或电阻值）发生变化的现象。
感
Y(2)
器
X(1)
Z(3)
9
第
晶面表示方法
13
章
z
压
截距式：
t
阻 x y z 1 式r s t
ps
y
传
r,s,t－x,y,z轴的截距
r
感 法线式：
x
器 x cos y cos z cos p
法线 长度
cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦
10
第
密勒指数
13
章
x cos y cos z cos 1