《传感器原理》PPT课件

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3.1 电阻应变计
3、SOI外延扩散型半导体应变计
SOI工艺，即外延生长半导体Si薄膜、扩散掺杂。 适用于150～200℃左右高温环境。
表面护膜
电极
氧化膜 层间绝缘膜 衬底
敏感栅电阻
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3.1 电阻应变计
3.1.3 应变计的测量原理和测量线路
一、直流电压源单臂电桥
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3.1 电阻应变计
三、金属应变片的参数
1.电阻值(R0)； 2.灵敏系数(K0)； 3.机械滞后； 4.蠕变(Δεt)； 5.零漂； 6.绝缘电阻；
四、温度和蠕变补偿应变计
2. 蠕变自补偿应变计
使弹性材料(正蠕变)与应变计－胶粘剂系统(负蠕变) 相匹配。
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3.1 电阻应变计
体型半导体应变计 扩散型半导体应变计 SOI外延扩散型半导体应变计
1、体型半导体应变计
v 结构组成：
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 外引线
线）。
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硅条 内引线 电极 基底
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3.1 电阻应变计
v 工艺流程：
P-Si的（111）轴向压阻系数最大，选此方向为压阻纵向。
4、引出线；5、粘结剂；
3覆盖层
粘合剂
1敏感栅
2基底
4引线
r
l
L
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3.1 电阻应变计
分类
回线式应变片 丝式应变片
短接式应变片 箔式应变片：很薄的金属片(康铜)
薄膜应变片：薄膜被直接沉积在弹性基底
箔 bó：
金属制成的薄片。如：金箔、银箔、铜箔、锡箔。
铂(Pt) bó：
一种银白色的贵金属元素，用于耐腐蚀的化学仪器等。通 称“白金”，铂和铱的合金是制造自来水笔笔尖的材料。
第三章
力/压力敏传感器
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将应变转换为电阻变化。
应变片 金属应变片
半导体应变片
3.1.1 金属应变计
一、金属应变片的基本原理:
l
l
F
F
r r
应变效应：受外力F拉伸时，l增加，s减小。
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3.1 电阻应变计
二、金属应变片的结构和分类 组成四部分：1、金属电阻丝；2、基底;3、覆盖层；
铝或金电极
SiO 2
硅衬底
扩散型半导体应变计的结构
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3.1 电阻应变计
v 分类
胖型 瘦型
直线式 折线式
瘦型 w w
胖型
w
直线式
折线式
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3.1 电阻应变计
电阻的设计：
直线扩散型电阻的阻值
R
=
R口
l W
扩散型半导体应变计的温度局限性
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。
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3.1 电阻应变计
πii(i为1、2、3)为纵向压阻系数：
沿着晶轴方向的应力对此方向电阻率的影响，立方晶系的x、 y、z方向的纵向压阻系数相等。
πij (i≠j；i,j为1、2 、3)为横向压阻系数：
沿某晶轴方向的应力对沿与其垂直的另一晶轴方向电阻率的影 响，立方晶系的横向压阻系数都相同。
πkk （k为4、5 、6）为剪切压阻系数：
剪切应力对其相应剪切面的电阻率分量的影响，立方晶系的三 个剪切压阻系数相等。
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3.1 电阻应变计
晶向和晶面
晶面的法线方向即晶向。 法线在Ｘ，Ｙ，Ｚ轴的截距分别为r，s，t。
r,s,t的倒数为h，k，l。
晶向＜hkl＞ 晶面（ hkl ）
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3.1 电阻应变计
二、半导体应变片
3.1.2 半导体应变片
一、压阻效应
固体都有压阻效应，其中以半导体材料最为显著。 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。
dr pT =π Eε r
dR R
=
dr r
= pEe
=
Ke
e
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3.1 电阻应变计
半导体的压阻系数π很大，K一般在50～100， 比金属的灵敏度高很多。
设n=R1/R2，ΔR2<<R2，分母ΔR2/R2可忽略，
上式化简为：
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3.1 电阻应变计
二、半桥差动电路
若一个应变片受拉力，一个受压力，受应变的符号相反，接 入电桥的相邻臂上，该电桥的输出电压U0为：
U 0=E (R 1 R R 2 1 R R 22 R 2R 3R 4R 4)
(111) R
(a)
(b)
(c) (d)
引线
(e)
(f)
弹性绝 缘体
单晶(a)→ 切片(b)→ 研磨(c)→ 切条(d)→ 焊引线(e)→ 粘衬底(f)
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3.1 电阻应变计
2、扩散型半导体应变计
在硅衬底上扩散相应杂质构成应变敏感栅电阻。
v 特点：
灵敏系数高； 可构成半桥或全桥结构， 使温度特性及稳定性都较好； 易实现微型化、集成化、 智能化。
3.2.1 压电式传感器的基本原理 压电效应
正压电效应 逆压电效应
形变产生的极化
若⊿R1=⊿R2，R1=R2，R3=R4，则简化为： R 1 - Δ R 1 2
E
R2 R2
比单臂应变片电压灵敏度提高了一倍。
R3
R4
E
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3.1 电阻应变计
三、全桥差动电路
1、不考虑温度对电阻的影响
若四臂接入四片应变片，两个受拉力，两个受压力，变化符号 相同的接入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，⊿R1=⊿R2=⊿R3=⊿R4，则输 出电压为：
二、压阻系数
单晶材料的晶体结构各向异性， 在不同晶面上的压阻系数不同。
六种外力： 沿x、y、z的轴向应力T1、T2、T3 绕x、y、z轴转动的剪切力T4、T5 、T6；
z T3
T6
T5
T2
T1 T4 y
x
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立方体各面的应力示意图
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3.1 电阻应变计
电阻率的相对变化与应力间的关系为：
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---R1、R3和R4固定,R2随应变变化。
1.平衡条件 在不考虑温度下，单臂桥的输出电压：
c
a
R1 R2 R3 R4
I d U0
选R2的零应变电阻值使电桥达到平
b
衡，即输出电压为零。
平衡条件为
E
R1R4 =R2R3
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3.1 电阻应变计
2. 有应变时
应变片电阻的变化为ΔR2，则电桥输出电压U0为：
R1-Δ R1
R2+Δ R2
U 0
U0
=
E
R1 R1
电压灵敏度比用单片提高了4倍，比半桥 差动电路提高了1倍。
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R3+Δ R3
R4-Δ R4
E
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3.1 电阻应变计
2、考虑温度的影响
各电阻受温度变化同为ΔRT，则输出电压表示为：
表明了输出结果与温度有关。
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3.2 压电式力传感器