第8章 压阻式传感器.
电阻式传感器精品PPT课件
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3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
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电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
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设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
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R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
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敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
tyut传感器与射频识别复习题(没答案)
第一章传感器是技术和的重要部件。
传感器测试对象分为：与传感器是获取中信息的主要途径与手段。
传感器可狭义的定义为: “将外界的变换为的一类元件。
”传感器的发展：1、什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义。
2、传感器由哪几部分组成。
试述它们的作用和相互关系。
3、传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？4、空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？第二章1．今有0.5级的0℃～300 ℃和1.0级的0 ℃～100 ℃两个温度计，要测80 ℃的温度，试问采用哪一个温度计好？2．对某一重物进行了十次等精度测量，测值为20.62 20.82 20.78 20.82 20.7020.78 20.84 20.78 20.85 20.85 （单位：g）求：（1）测量值的算术平均值（2）测量值的标准差3）测量结果的表达3．有一组等精度无系统误差的独立测量列，16个测量值分别为：39.44,39.27,39.94,39.44,38.91,39.69,39.48,40.56，39.78,39.35,39.86,39.71,39.46,40.12,39.39,39.76。
试判断粗大误差4．某超声波测距传感器装置，检查范围为0~500m，在整个测量范围内，与理想线性输出的最大误差为3m，其线性度为多少？5．测得某检查装置的一组输入输出数据如下：x123456y 2.20 4.00 5.987.910.1012.05求: （1）端基线性度（2）最小二乘线性度6玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传递给水银，可用一阶微分方程式来表示。
现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是，y代表水银柱高（m），x代表输入温度（℃）。
求该温度计的时间常数及静态灵敏度7. 用某一阶环节的传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？1、误差按表示方法划分可分为（）和（），按误差出现的规律划分可分为（），（）和（），按被测量随时间变化的速度划分可分为（）和（），按使用条件划分可分为（）和（）。
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
应变式压力传感器和压阻式传感器的转换原理
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压力传感器的原理
压力传感器的原理压力传感器是一种能够将压力信号转换为电信号输出的传感器，广泛应用于工业自动化控制、汽车电子、医疗设备等领域。
它的原理是利用一定的物理效应，将受力的变化转换为电信号输出，从而实现对压力的测量和控制。
压力传感器的原理主要包括以下几个方面：1. 压阻式原理。
压阻式压力传感器是利用压阻效应来实现对压力的测量。
当外力作用于传感器的敏感元件上时，敏感元件会发生形变，从而改变其电阻值。
通过测量电阻值的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器简单、成本低，但精度较低，易受温度影响。
2. 容性原理。
容性压力传感器利用压力作用于传感器时，会改变传感器内部电容值的特性。
通过测量电容值的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器具有较高的灵敏度和稳定性，但制造工艺复杂，成本较高。
3. 压电原理。
压电压力传感器是利用压电效应来实现对压力的测量。
当外力作用于传感器的压电晶体上时，会产生电荷的分布变化，从而产生电压信号输出。
通过测量电压信号的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器具有高灵敏度、高稳定性和高精度，但制造工艺复杂，成本较高。
4. 光纤原理。
光纤压力传感器是利用光纤的光学原理来实现对压力的测量。
当外力作用于传感器上时，会改变光纤的折射率，从而改变光信号的传输特性。
通过测量光信号的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器具有抗干扰性强、可靠性高的优点，但制造工艺复杂，成本较高。
总结：压力传感器的原理多种多样，每种原理都有其适用的场景和特点。
在实际应用中，需要根据具体的测量要求和环境条件选择合适的压力传感器。
随着科技的不断发展，压力传感器的原理和性能也在不断提升，为各行各业的应用提供了更加可靠和精准的压力测量解决方案。
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。
压阻应变片式压力传感器详解
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3.1压力传感器
扩散型压阻式压力传感器特点：
3.1压力传感器
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器根部两面。
恒压源：
A
D
B
C
输出电压与 成正比，输出电压受环境温度的影响.
恒流源：
输出电压与 成正比，环境温度的变化对其没有影响.
测量电路：
四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr 和切向应力 σt 分布情况确定。
设计时适当安排电子的位置，可以组成差点电桥。
3
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1
4
优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，测出十几帕德微压，长期稳定性好，之后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。
1
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费线性和温度进行补偿。
上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应的。
扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅，单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样，而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。
3.1压力传感器
优点：
灵敏系数高，k =30～ 175（而电阻丝其值约在 1.6～ 3.6 之间)； 机械滞后小、横向效应小及本身体积小。
第8章：压阻式传感器
R s lp l s t p t s t p l s r p t R t
在 0 1 1 晶向，纵向和横向压阻分别系数为（R1所在晶向） 1 1 1 1 p l p11 p12 p 44 p 44 p p p p p 44 2 2 t 11 12 44 2 2 在<011>晶向，纵向和横向压阻系数为 （R2所在晶向）
8.3
压阻系数
应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。电阻 的相对变化与应力的关系如下式所示。在正交坐标系统，坐标轴与晶轴一致 时，有 R p ls l p t s t p s s s R
式中 sl ——纵向应力，注意为L而不是1； st ——横向应力； ss ——与纵向应力和横向应力垂直的应力。 pl ——纵向压阻系数； pt ——横向压阻系数； ps ——与纵向和横向垂直的压阻系数。 由于ss一项比st 和sl 小很多一般略去。pl表示应力作用方向与通过压阻元 件的电流方向一致， pt 表示应力作用的方向与通过压阻元件的电流方向垂直。
当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为
R p ls l p R
t
st
在此情况下，式中的pl、pt 值可用p11、p12、p44表示为
2 2 2 2 2 p l p 11 2p 11 p 12 p 44 l12 m1 n1 l1 m1 n1
h
(a)
(c)
1．扩散电阻条值及位置的确定 在<001>晶向的N型圆形硅膜片上，如图所示。沿<011>与二 晶向利用扩散的方法扩散出四个 P型电阻，则<011>晶向的二个径 向电阻与晶向的二个切向电阻阻值的变化率分别为
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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） 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
电阻率的变化与应力分量之间的关系
1 11 2 21 3 31 4 41 5 51 6 61
12 22 32 42 52 62
13 23 33 43 53 63
31 微型硅应变式传感器的一些基本结构
膜片 (a )
悬臂梁 (b )
硬中心 桥 支承膜 (d ) (e)
(c)
图(a)为方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容 式传感器。图(b)为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图(c) 为桥式结构,图(d)为支撑膜结构,图(e)为E型膜（硬中心）结 构,这些都是常用于应变式传感器的结构。
第八章 压阻式传感器
• 1 半导体的压阻效应 • 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 • 3 压阻式传感器的应用
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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，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。
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
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参考知识： 敏感元件加工技术
1.薄膜技术
薄膜技术是在一定的基底上 , 用真空蒸镀、溅 射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成 零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物 薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、 膜等微型弹性元件 , 也可加工为转换元件 , 有的 可作为绝缘膜 , 有的可用作控制尺寸的牺牲层 , 在传感器的研制中得到了广泛应用。
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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压阻系数
一、单晶硅的压阻系数
3
σ33 σ31 σ13 σ12
表面腐蚀加工——牺牲层技术形成硅梁过程
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Si3 N4 SiO2 N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
利用该工艺制造多晶硅梁的过程： 1）在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的 绝缘支撑,并刻出窗口,如图(a)所示。利用局部氧化技术在 窗口处生成一层SiO2作为牺牲层,如图(b)所示； 2 ） 在 SiO2 层 及 余 下 的 Si3N4 上 生 成 一 层 多 晶 硅 膜 （ PoLy-Si) 并刻出微型硅梁 , 如图 (c) 所示。腐蚀掉 SiO2 层形 成空腔 , 即可得到桥式硅梁 , 如图 (d) 所示。另外 , 在腐蚀 SiO2层前先溅铝,刻出铝压焊块,以便引线。
返
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利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传 感器。 一、压阻效应及压阻系数
压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。
压阻式压力传感器
压阻式传感器的特点
4
灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故相应的传 分辨率高: 能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。 体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又
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2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
图中,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。
化学气相淀积（CVD）
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,如图所示。
无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感 元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，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。
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。
温度误差大: 须温度补偿、或恒温使用。
1) 体型结构腐蚀加工
体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和 离子刻蚀（干法）技术（采用惰性气体）。
2)表面腐蚀加工——牺牲层技术
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。
单晶硅立体结构的腐蚀加工过程
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(1) 氧化的硅基片 热生成硅氧化膜 单晶硅(10 0) 面 基片 5 4.74 ° (2) 光刻和腐蚀氧化层 光敏胶 (3) 各向异性腐蚀硅 (11 1) 硅平面
21
载流子浓度影响总结
Ns比较大时： a.π受温度影响小
b. Ns↑→ π↓→灵敏度↓
c.高浓度扩散，使p-n结击穿电压↓→绝缘电阻↓→漏电 →漂移→性能不稳定
结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应
用条件适当选择载流子的浓度。
压阻效应的原因:
应力作用 晶格变形 能带结构变化 载流子浓度和迁移率变化
例：
z
10
4 1 y -2 -2
z y x
1
1
x
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
1,1,1
2 , 2 ,1
1,1,1 1,1,1
2, 2,1 2, 2,1
11
例： （特殊情况）
z
0,0,1 0,1,0
y
1,0,0
x
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
•六个独立的应力分量：
正 应 力
1 11 2 22 3 33
剪 应 力
4 23 32
5 31 13 6 12 21
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
16
σ32
σ23 σ22
2
σ21
σ11
1
13
14
材料阻值变化
广义：
＝E
•六个独立的应力分量：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
15 令：
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 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 感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
压阻效应
R (1 2 ) R
金属材料 半导体电阻率
半导体材料
三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与表面杂质浓度的关系
P型Si（π44)
π11
或
π44
N型Si（π11)
表面杂质浓度Ns（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数减小
17
18
解释：
1 ne
•ρ：电阻率 • n：载流子浓度 •e：载流子所带电荷 •μ：载流子迁移率
•Ns↑→杂质原子数多→载流子多→ n↑→ρ↓
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 UR /( R Rt )
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， ΔR为应变片阻值变化， ΔRt为环境
温度变化受环境温度引起阻值的变化
密勒指数
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）
y z cos cos cos 1 p p p x y z 1 r s t
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表示方式
h, k , l
•表示晶向
•表示晶面 •表示晶面族
h, k , l h, k , l
对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l) 晶面的法线方 向； {h,k,l}晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。
真空蒸镀
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。如图 所示。
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2 1 3
4
图中,1—真空室,2—基底 ,3—钨丝,4—接高真空泵。
溅射
在低真空室中,将待 溅射物制成靶置于 阴极,用高压（通常 在1000V以上）使 气体电离形成等离 子体,等离子中的正 离子以高能量轰击 靶面,使靶材的原子 离开靶面,淀积到阳 极工作台上的基片 上,形成薄膜,如图 所示。Y来自2) X(1) Z(3)7