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。
压阻式压力传感器原理
压阻式压力传感器原理压阻式压力传感器是一种常用的压力测量装置，它利用了压阻效应来实现对压力的测量。
在压阻式压力传感器中，压阻器是起到关键作用的元件，通过对压阻器的变化进行测量，可以得到被测压力的大小。
下面将详细介绍压阻式压力传感器的原理及其工作方式。
首先，我们来了解一下压阻效应。
压阻效应是指在材料受到外力作用时，电阻值发生变化的现象。
在压阻式压力传感器中，通常采用的是压阻薄膜或压阻薄片作为压阻器。
当外界施加压力在压阻器上时，压阻器的电阻值会发生相应的变化。
这种变化可以通过电路进行测量和转换，从而得到压力的大小。
其次，压阻式压力传感器的工作原理是利用了压阻效应的特性。
当压力作用在传感器的敏感元件上时，敏感元件的电阻值会随之改变。
这种电阻值的变化可以通过电路进行检测和测量，从而得到压力的大小。
在实际应用中，通常会将压阻式压力传感器与电桥电路相结合，通过测量电桥的平衡状态来获取压力的数值。
另外，压阻式压力传感器的工作方式可以分为直接式和间接式两种。
直接式压力传感器是指被测压力直接作用在敏感元件上，而间接式压力传感器则是通过液体或气体传递压力到敏感元件上。
不同的工作方式对应着不同的应用场景，用户可以根据实际需求选择合适的工作方式的传感器。
总的来说，压阻式压力传感器利用了压阻效应来实现对压力的测量，其工作原理是通过测量敏感元件电阻值的变化来获取压力数值。
在实际应用中，压阻式压力传感器广泛应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备等领域，为各种设备和系统提供了重要的压力测量支持。
通过对压阻式压力传感器的原理及工作方式的深入了解，可以更好地应用和维护这种传感器，为各种应用场景提供准确可靠的压力测量数据。
压力传感器的分类与原理介绍
压力传感器的分类与原理介绍压力传感器是一种测量物体受力并将其转化为电信号的设备。
它被广泛应用于工业、汽车、航空航天等领域中，用于测量压力变化并实时反馈给控制系统。
压力传感器根据其工作原理和结构特点可以分为多种类型，下面将对几种常见的压力传感器进行分类与原理介绍。
1. 压阻式传感器压阻式传感器是一种基于电阻变化原理的压力传感器。
它通常由两个平行的金属片组成，两片金属片之间有一层敏感膜，当外力作用于敏感膜时，金属片的电阻值会发生变化。
这种变化可以通过电路进行检测和测量。
压阻式传感器的优点是结构简单、价格低廉，但是其精度较低，易受温度和湿度的影响。
2. 容积式传感器容积式传感器是一种基于压力变化引起的容积变化原理的压力传感器。
它通常由一个弹性元件和一个容器组成。
当压力作用于容器时，容器内的气体容积会发生变化，从而引起弹性元件的形变。
这种形变可以通过传感器内的压力变化转化为电信号进行测量。
容积式传感器的优点是精度较高、抗干扰能力强，但是其结构复杂，成本较高。
3. 电容式传感器电容式传感器是一种基于电容变化原理的压力传感器。
它通常由两个电极和一个电介质组成，当压力作用于电介质时，电容的值会发生变化。
这种变化可以通过电路进行检测和测量。
电容式传感器的优点是精度高、响应速度快，但是其受温度和湿度的影响较大，且易受外界电场干扰。
4. 压电式传感器压电式传感器是一种基于压电效应原理的压力传感器。
它通常由压电材料和电极组成，当外力作用于压电材料时，压电材料会产生电荷，从而生成电压信号。
这种电压信号可以通过电路进行检测和测量。
压电式传感器的优点是响应速度快、精度高、抗干扰能力强，但是其价格较高，使用时需要注意防止过载和过压。
5. 磁敏式传感器磁敏式传感器是一种基于磁阻效应原理的压力传感器。
它通常由一个磁敏材料和一个磁场组成，当压力作用于磁敏材料时，磁敏材料的磁阻值会发生变化。
这种变化可以通过电路进行检测和测量。
磁敏式传感器的优点是精度高、稳定性好，但是其价格较高，且易受外界磁场干扰。
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。
压阻压力传感器的主要特点
压阻压力传感器的主要特点
压阻式压力传感器是一种常见的传感器类型之一，其基本原理是通过检测压力
对薄膜或陶瓷材料的变形程度而测量所感知的压力大小。
压阻压力传感器具有以下几个主要特点：
高精度
压阻压力传感器通常具有高精度的特点，它们可以测量非常微小的压力变化，
例如，小于1kPa的压力变化。
范围广
压阻压力传感器可以应用于各种应用场景，例如，军事、医疗、工业、航空、
汽车等领域。
反应迅速
压阻压力传感器具有非常快速的响应速度，可以对瞬态压力进行准确和及时的
检测。
易于安装
压阻压力传感器的机械结构通常相对简单，安装和维护比其他类型的压力传感
器更加容易。
成本低廉
相对于其他类型的压力传感器，压阻压力传感器通常具有较低的成本，这使得
其在大规模应用中越发具有优势。
耐用性好
压阻压力传感器通常具有较好的耐用性，能够在恶劣的环境条件下长期稳定地
工作。
总之，压阻压力传感器是一种非常实用的压力传感器类型，具有高精度、范围广、反应迅速、易于安装、成本低廉、耐用性好等多种优点。
随着科技的不断进步，它们在工业、军事、医疗、航空、汽车等领域的应用将会越来越广泛，成为现代化工业的不可或缺的重要组成部分。
压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器是一种常见的传感器，它能够将机械压力转换
成电信号，并输出到载波、微处理器等电子设备中。
压阻式压力传感器的工作原理是：通过机械受力，将受力区域内
的电阻片加以拉伸或压缩，使电阻片的电阻发生变化，电阻的变化大
小与机械压力的大小成正比。
这个原理又被称为压阻效应。
压阻式压力传感器可以分为：薄膜式压力传感器、箔片式压力传
感器和微应变片式压力传感器。
薄膜式压力传感器是将压力感受器下面的薄膜受力区域做成一个
电阻器，当薄膜受到压力时，在电极之间会产生电压信号，这个电压
信号随着压力变化而变化。
这样的传感器结构简单，易于制造。
箔片式压力传感器是将薄膜变成箔式，其受力特性更好，更灵敏，输出稳定。
微应变片式压力传感器也是一种常见的压力传感器，与薄膜式压
力传感器类似，同样将感受器下面的微应变片或桥式微应变传感器成
一个电阻器，当感受器下面的微应变片受到压力时，所产生的应变同样会造成其电阻值的变化，进而产生电压信号，从而实现输出压力信号的目的。
除了压阻式压力传感器以外，流式传感器，如流量传感器、液位传感器，温度传感器，光电传感器等等都是常见的传感器，而他们的工作原理都各有不同。
在生产和实际使用中，根据场合和需要选择适合的传感器，可以更好地胜任各类测量需求。
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3P σr = 2 [(1+ µ)r02 − (3 + µ)r2 ] 8h σ = 3P [(1+ µ)r2 − (1+ 3µ)r2 ] 0 t 8h2
优点：
扩散型压阻式压力传感器的主要优点就 是体积小、结构简单，动态相应好， 是体积小、结构简单，动态相应好，灵 敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高， 敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高， 性能稳定，成本低，便于批量生产。 性能稳定，成本低，便于批量生产。
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， 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， 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 长期稳定性好，滞后和蠕变小， 应高，便于生产，成本低。 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。 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。 非线性和温度进行补偿。
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1. 测量电桥
假设∆RT为温度引起的电阻变化
I ABC = I ADC = 1 I 2
电桥的输出为
U 0 = U BD = 1 1 I ( R + ∆R + ∆RT ) − I ( R − ∆R + ∆RT ) 2 2 = I∆R
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。
第二节 压阻式传感器
• 7.2.1 半导体的压阻效应 • 7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿 • 7.2.3 压阻式传感器的应用
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7.2.1 半导体的压阻效应
固体受到作用力后，电阻率就要发生变化， 固体受到作用力后，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。 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。 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 响应高， 体积小。 它主要用于测量压力、 度和载荷等参数。 度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感， 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。 感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
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工作原理： 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。
σ r=
3p [(1 + µ )r02 − (3 + µ )r 2 ] 8h 2 3p σ t = 2 [(1 + µ ) r02 − (1 + 3µ )r 2 ] 8h
U0
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3 . 灵敏度温度补偿
补偿灵敏度漂移原理： 补偿灵敏度漂移原理： 温度升高时，灵敏度降低， 温度升高时，灵敏度降低，这时如果提 高电源电压，使电桥输出适当增大， 高电源电压，使电桥输出适当增大，便 可达到补偿目的。 可达到补偿目的。 温度升高时，二极管压降降低， 温度升高时，二极管压降降低，可使电 桥电源电压提高， 桥电源电压提高，关键是适当选择串联 二极管的个数。 二极管的个数。
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（3） 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、 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温 灵敏度温度系数和非线性等问题， 漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 准确性。 准确性。 减少与补偿误差措施
1. 测量电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿
3 压阻式加速度传感器
它的悬臂梁直接用单晶硅制成， 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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7.2.3 压阻式传感器的应用
1. 扩散型压阻式压力传感器 2. 差频压阻式压力传感器 3. 压阻式加速度传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片 在膜片位移量远小于膜片的厚度时，受均匀压力的圆形硅膜 片上各点的径向应力σ r 和切向应力σ t ,可分别用下式计算:
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7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿
（1）体型半导体电阻应变片
1. 结构型式及特点
2. 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
温度变化受环境温度引起阻值的变化
恒流源
U 0 = I ⋅ ∆R
电桥输出电压与∆R成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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（2） 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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2.温度漂移及其补偿 2.温度漂移及其补偿 温度漂移
温度变化而变化，将引起零漂 灵敏度漂移 零漂和灵敏度漂移 零漂
VD
零
Rp R1 Rs R2 R4
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
灵敏度漂移 零位温漂 灵敏度温漂
U
R3
串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用
2.差频压阻式压力传感器 2.差频压阻式压力传感器
A
R-C （P型） R-C f
（a）
（b）
<110> 硅晶片 R-C 网络 宽带放大
P
宽带放大 <110> <001>
f’ 频 率 综 合 f 器
（c）
（a）分布阻容网络； （b）相移振荡器； （c）差频振荡压阻 荡器振荡频率为：
6 f = 2π RC
压力的变化 ：
∆f = f1 − f0 = f ( p)
在实际应用中， 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏 度和克服零点漂移， 度和克服零点漂移，一般都采用差频输 出的形式。 出的形式。也就是在选择适当的晶向和 扩散电阻的位置， 扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器 并连接宽带放大器和频率综合器， 并连接宽带放大器和频率综合器，将其 组合在一起构成差频压阻式压力传感器， 组合在一起构成差频压阻式压力传感器，
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压阻效应
∆R ∆ρ = (1 + 2 µ ) ε + ρ R
金属材料 半导体材料 ∆ρ ∆l ＝πlσ = πl E ρ l
半导体电阻率
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 + 2 µ + π l E )ε R
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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 = π l Eε = π l σ 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
ε
= π 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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体型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
对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为：
U∆R Uo = R +∆RT
2. 测量电路
恒压源
U 0 = U∆R /( R + ∆Rt )
电桥输出电压与∆R / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， ∆R为应变片阻值变化， ∆Rt为环境