压阻式传感器资料
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。
压阻式加速度传感器简介
压阻式加速度传感器简介结构与原理压阻式加速度传感器的结构原理如下图所示，一质量块固定在悬臂梁的一端，而悬臂梁的另一端固定在传感器基座上，悬臂梁的上下两个面都贴有应变片并组成惠斯通电桥，质量块和悬臂梁的周围填充硅油等阻尼液，用以产生必要的阻尼力。
质量块的两边是限位块，它们的作用是保护传感器在过载时不致损坏。
被测物的运动导致与其固连的传感器基座的运动，基座又通过悬臂梁将此运动传递给质量块。
由于悬臂梁的刚度很大，所以质量块也会以同样的加速度运动，其产生的惯性力正比于加速度大小。
而此惯性力作用在悬臂梁的端部使之发生形变，从而引起其上的应变片电阻值变化。
在恒定电源的激励下，由应变片组成的电桥在就会产生与加速度成比例的电压输出信号。
MEMS压阻式加速度传感器随着微机电技术的发展，如今大多数压阻式加速度传感器都是采用的MEMS结构，即整个传感器的核心部件（质量块、悬臂梁和支架）都是由一个单晶硅蚀刻而成，直接在硅悬臂梁的根部扩散出电阻并形成惠斯通电桥。
MEMS压阻式加速度传感器与上文介绍的应变片式加速度传感器相比，除了体积小、坚固性好之外，还有灵敏度高的优点。
这主要是因为两者电阻变化的原理不同：应变片中的金属丝或金属箔在受力时其形状发生了变化，所以引起了电阻值小幅的改变；而硅材料在受力时，除了其形状发生变化外，更重要的是其材料特性发生了大的变化，所以引起了电阻值大幅的改变。
一个典型的金属丝或箔式应变计的应变系数大约是2.5，而硅材料的应变系数可达100。
另外，采用MEMS的加工技术，可以在同一硅片上制造出悬臂梁阵列（见下图），这就进一步提高了传感器的灵敏度、可靠性等。
特点与应用压阻式加速度传感器的输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。
它对底座应变和热瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。
压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应），因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，如军工冲击波试验。
压阻式压力传感器
掩膜版
步骤四：标准淡硼预扩散或离子注入，在经过标准再分布或退火 形成方块电阻率在80-250W可控的压阻，结深1-3微米。
• 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终不变。
• 有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先淀积一层杂质，在 整个扩散过程中以这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源 补充。
1 硅片的清洗处理
2涂胶：涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
3 前烘：经过甩胶之后的光刻胶虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但含有10%~ 30%的溶剂，容易沾染灰尘。通过在较高温度下进行烘焙，使溶剂从光刻胶中挥发出来。 4 对准与曝光：曝光的光源为紫外光的汞灯，形成平行光束垂直照射到硅片上。受到光照 的光刻胶发生光化学反应，其内部分子结构发生变化。 5 显影：把曝光后的基片放在显影液里，将应除去的光刻胶膜溶除干净，以获得所需要 光刻胶的图形。
2）湿氧氧化：氧气通过盛有950C高纯去离子水的石英瓶后携带水汽到硅片 表面发生氧化反应： Si+O2SiO2 Si+2H2OSiO2+2H2 优点：生长速率较快；缺点：与光刻胶粘附性不好。
（3）氢氧合成氧化：在常压下分别是将纯H2 和纯氧直接通入石英管内，使之在一定温度燃 烧生成水，水在高温下氧化后与硅反应生成 SiO2，生长速度比湿氧快，膜质量好、纯度高。
• 两步扩散：实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，在
这样的温度范围内，常用杂质，如硼、砷等在硅中的固溶度
随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低表面
浓度的杂质分布形式。实际生产中将扩散过程分为两步完成。
其中第一步称为预扩散或者预淀积，第二步称为主扩散或再
压阻式压力传感器工作原理
压阻式压力传感器工作原理
压阻式压力传感器工作原理是基于电阻的变化原理。
传感器内部含有一个薄膜，该薄膜上涂有导电层，形成一个电阻。
当传感器受到外部压力作用时，薄膜会发生微小的弯曲，导致导电层上电阻的改变。
具体来说，当外部压力增加时，薄膜的弯曲程度会增大，导致电阻的值随之增加。
而当外部压力减小时，薄膜会恢复原状，导致电阻的值随之减小。
这种电阻和压力之间的关系可以通过压力传感器的电路进行测量和转换。
一般情况下，压阻式压力传感器会和一个电桥电路结合使用。
电桥电路由四个电阻组成，其中一个电阻为压阻传感器的电阻，另外三个为已知电阻。
当系统施加一个恒定的电压到电桥上时，电桥会输出一个电压信号，该信号的大小与压阻传感器的电阻值相关。
通过测量和分析电桥的输出信号，就可以得到与外部压力关联的电阻值。
进一步，可以经过校准和转换，将电阻值转换为实际的压力数值。
总的来说，压阻式压力传感器通过测量导电层电阻的变化，实现对外部压力的检测和测量。
这种传感器具有结构简单、成本低廉、响应速度快等优点，广泛应用于各种工业领域和仪器设备中。
2-02压阻式传感器重点
任务二 压阻式传感器
2.1 压力检测基础 2.1.1压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理 学中常称的压强。 2.1.2 压力的表示方法 由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法： 绝对压力、大气压力、表压力、真空度(负压) 、差压 (压差)等，这几种表示法的关系如图2-1所示。
2.压阻式加速度传感器
休息一下
测量原理：在一块圆形的单晶硅膜片上, 布置四 个扩散电阻, 组成一个全桥测量电路。如图2-22 （d）、（e）所示。膜片用一个圆形硅杯固定, 将两个气腔隔开。一端接被测压力, 另一端接参 考压力，如图2-22（b）所示。当存在压差时, 膜片产生变形, 使两对电阻的阻值发生变化, 电桥 失去平衡, 其输出电压反映膜片承受的压差的大 小。 压阻式压力传感器的主要优点是体积小, 结构比 较简单, 动态响应也好, 灵敏度高, 能测出十几帕 斯卡的微压, 它是一种比较理想、目前发展和应 用较为迅速的一种压力传感器。
2.2 固态压阻式传感器
2.2.1半导体压阻效应 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应力时，它的电阻率将发生 显著的变化，这种现象称为根据各种非电量测量技术，把被测压力转换成各种电量变 化来测量的。如：应变片式，电阻式，电容式，电感式， 霍尔片式，振频式等，广泛用于现代工业压力测量与自控 系统中。 4.活塞式压力标准仪表 把被测仪表转换成活塞上所加平衡砝码的重量大小来测量。 常见的有单活塞和双活塞标准压力表。是种高精度标准压 力计，常用于检验其他类型压力计。
2.2.2 扩散型压阻式传感器 1..扩散型压阻式压力传感器 压阻式压力传感器主要由外壳、硅杯膜片和引线 组成，其结构如图2-35所示。压阻式压力传感 器的核心部分是一块圆形或方形的硅膜片，在硅 膜片上，利用集成电路工艺制作了四个阻值相等 的电阻。硅膜片的表面用SiO2薄膜加以保护， 并用铝质导线做全桥的引线，硅杯膜片底部被加 工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑 作用）的形状
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
∴
2.2 压阻式传感器d
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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。
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低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
小型压阻式固态压力传感器（续） 呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器
p1进气管
固态压力 传感器
p2进气管
小型压阻式固态压力传感器（续）
p1进气管
表压压力传感器
2.7.2压阻式传感器的应用
1、压阻式压力传感器
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(或P)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p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。
2.7 压阻式传感器
• 2..7.1 压阻式传感器基本原理 • 2.2.2 压阻式传感器应用
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1、压阻效应与压阻系数
1）、压阻效应
半导体单晶硅、锗等材料在外力作用下电阻率将发生变 化，这种效应称压阻效应
压阻式传感器有两种类型： 一是利用半导体材料的体电阻制作成应变计。 二是在半导体单晶硅的基底上利用半导体集成 工艺的扩散技术，将弹性敏感元件和应变元件合二 为一，制成扩散硅压阻式传感器。这种传感器灵敏 度、分辨率高，因无须胶结而使迟滞、老化、蠕变 现象小，稳定性好，功耗低，散热好，易于微型化 、集成一体化和智能化。但温度稳定性和线性较差 。
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（a）双孔梁
（b）S形
第2章 应变式传感器
③ 轮辐式测力传感器（剪切力）
传感器原理及应用
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重） 轮辐式传感器结构主要由五个部分组成， 轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器
④ 膜片式压力传感器
圆形金属膜片
H≥2D+L 空心圆柱 H≥D—d+L
F=100*103N
K=2mm/V
柱式力传感器结构
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重）
各种平行双孔梁
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重） 各 种 形 式 梁
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重） 梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力
P
0.58
R1 R2 R3 R4
h
径 向 应 变
r
0
切向应变
r
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器
④ 膜片式压力传感器
膜片式压力传感器应力分布
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器 ⑤应变式加速度传感器
基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外
壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块， 壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。 当壳体与被测物体一起 a 壳体 作加速度运动时，悬臂梁在 质量块的惯性作用下作反方 充满硅油 m R1 向运动，使梁体发生形变， R2 粘贴在梁上的应变片阻值发 生变化。通过测量阻值的变 机座 F 化求出待测物体的加速度。
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压阻效应
R (1 ) R
金属材料 半导体电阻率
半导体材料
l l
＝ l l E
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
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
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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。
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。
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2.2.3 扩散型压阻式压力传感器
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
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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 r 2 [(1 )r02 (3 )r 2 ] 8h 3p t 2 [(1 )r02 (1 3 )r 2 ] 8h
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2.2.4 压阻式加速度传感器
它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻 扩散在其根部两面 。
扩散电阻
基座
a
质量块 应变梁
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2.2.5 测量桥路及温度补偿
由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温 漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 准确性。 减少与补偿误差措施
第二节 压阻式传感器
• 2.2.1 半导体的压阻效应 • 2.2.2 体型半导体应变片 • 2.2.3 扩散型压阻式压力传感器 • 2.2.4 压阻式加速度传感器 • 2.2.5 测量桥路及温度补偿
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2.2.1
半导体的压阻效应
单晶半导体材料在受到作用力后，电阻率就要 发生变化，这种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 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。
R4
U
Rs R3
零位温漂 灵敏度温漂
U0
串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用
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第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用
桥梁固有频率测量电路
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重）
试验研究结果建议选用以下公式：
实心圆柱
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对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
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
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2.2.2
1.
2.
体型半导体电阻应变片
结构型式及特点 测量电路
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1. 结构型式及特点
主要优点是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
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2. 测量电路
恒压源
U 0 UR /( R Rt )
恒流源供电的全桥差动电路
电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成 正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。
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2.温度漂移及其补偿
温度变化时，将R1 R2
零
漂
扩散电阻值随温度变化 压阻系数随温度变化 串、并联电阻 串联二极管（负温度特性）
灵敏度漂移
1. 恒流源供电电桥
2. 零点温度补偿
3. 灵敏度温度补偿
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1. 恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化 对等臂电桥 电桥的输出为
U 0 U BD 1 1 I ( R R RT ) I ( R R RT ) 2 2 IR
I ABC I ADC 1 I 2