传感器第二章
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第二章传感器测量电路
第二章 传感器测量电路
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2.1传感器测量电路的作用
2.1.1 测量电路的基本概念及要求
在传感技术中，通常把对传感器的输出信号进行加工的 电子电路称为传感器测量电路。传感器的输出信号一般具有 如下特点 : 1 ．传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开 关信号型等。 2 ．传感器输出信号的类型有电压、电流、电阻、电容、电 感、频率等，通常是动态的。 3 ．传感器的动态范围大 4 ．输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为 µv-mv Company Logo 级，电流信号为 uA-mA 级。
2.2.3 数字式测量电路
根据不同的数学式传感器的信号特点，选择合适的测量 电路。光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是 增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图 2-4 所示。
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2.3噪声与抗干扰技术
在传感器电路的信号输入输出转换过程中，所出现的与 被测量无关的随机信号被称为噪声。由噪声所造成的不良效 应被称为干扰。 为了减小测量误差使用时需注意下面几个问题 : 1 ．使用传感器时，灵敏度这项指标不宜选得太高，尤其是 使用环境比恶劣、比较复杂时要根据测量项目精度要求选择 合适的传感器的灵敏度等级。 2 ．降低外界因素对传感器实际作用的功率。
3. 传感器的非线性校正
4. 补环境温度对传感器的影响，
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5.A/D 变换
常用的单元电路有 : 电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保 持电路、模 / 数 (A/D) 和数 / 模 (D/A) 转换电路、调 制解调电路。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图 2-1 所示。
5 ．光电藕合使用光电藕合器是切断地环路电流干扰的十分有 效的方法，其原理如图 2-9 所示。由于两个电路之间采用了 光电搞合，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。
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2.1传感器测量电路的作用
2.1.1 测量电路的基本概念及要求
在传感技术中，通常把对传感器的输出信号进行加工的 电子电路称为传感器测量电路。传感器的输出信号一般具有 如下特点 : 1 ．传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开 关信号型等。 2 ．传感器输出信号的类型有电压、电流、电阻、电容、电 感、频率等，通常是动态的。 3 ．传感器的动态范围大 4 ．输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为 µv-mv Company Logo 级，电流信号为 uA-mA 级。
2.2.3 数字式测量电路
根据不同的数学式传感器的信号特点，选择合适的测量 电路。光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是 增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图 2-4 所示。
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2.3噪声与抗干扰技术
在传感器电路的信号输入输出转换过程中，所出现的与 被测量无关的随机信号被称为噪声。由噪声所造成的不良效 应被称为干扰。 为了减小测量误差使用时需注意下面几个问题 : 1 ．使用传感器时，灵敏度这项指标不宜选得太高，尤其是 使用环境比恶劣、比较复杂时要根据测量项目精度要求选择 合适的传感器的灵敏度等级。 2 ．降低外界因素对传感器实际作用的功率。
3. 传感器的非线性校正
4. 补环境温度对传感器的影响，
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5.A/D 变换
常用的单元电路有 : 电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保 持电路、模 / 数 (A/D) 和数 / 模 (D/A) 转换电路、调 制解调电路。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图 2-1 所示。
5 ．光电藕合使用光电藕合器是切断地环路电流干扰的十分有 效的方法，其原理如图 2-9 所示。由于两个电路之间采用了 光电搞合，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。
第2章 电阻应变式传感器
（ 2 2 ）
传感器原理与应用——第二章
电阻相对变化量为：
dR dL d dA R L A
若电阻丝是圆形的， 则A=πr ² 微分 ,对r
（ 3 2 ）
l
2r
2(r-dr)
F
l+ dl
得dA=2πr dr，则：
dA 2rdr dr 2 2 A r r
图2-1 金属丝的应变效应
• 应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量 等参数应用最广泛的传感器。
传感器原理与应用——第二章
2.1 电阻应变片的基本原理 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件 上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 应变效应 当导体或半导体在受到外界力的作用而不能产生位移
时，则会产生机械变形（它的几何形状和尺寸将
指 示 应 变 卸载
Δε
εi
加载 机械应变εR 图2-6 应变片的机械滞后
传感器原理与应用——第二章
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使
敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变
片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充
分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载 时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常 在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机 械滞后所产生的实验误差。
很宽的范围内均为线性关系。
传感器原理与应用——第二章
即:
R
R
K 或
K
R
R
（ 14 2 ）
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的
灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效
传感器原理第二章 电阻应变传感器
第二章电阻应变传感器第一节电阻应变片一、金属电阻应变片二、半导体电阻应变片第二节电阻应变传感器测量电路一、单臂桥二、半桥三、全桥四、应变测量电桥性能的提高第三节电阻应变传感器的应用一、应变式力传感器二、应变式压力传感器三、应变式加速度传感器第二章电阻应变传感器电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。
任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻应变传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。
常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。
电阻应变式传感器应用历史悠久，目前仍然是一种主要的测试手段。
其主要特点是：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；②灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量；③环境适应性好，应用领域广泛。
第一节电阻应变片电阻应变传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。
弹性元件用来感受被测量的变化；电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化；然后通过测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。
电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表2－1所示。
弹性敏感元件在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化，当去掉外力后，物体随即恢复其原来的尺寸和形状，此种变形称为弹性变形。
利用弹性变形进行测量和变换的元件即弹性敏感元件。
弹性敏感元件在传感器技术中有着重要的作用，是设计、分析、应用传感器的基础性工作。
弹性元件材料：铬钢、锰弹簧钢、合金结构钢、不锈钢等敏感元件材料：金属、非金属金属：铜-黄铜、康铜、钛青铜、铍青铜；铁-铁镍合金铂、铂合金镍铬合金非金属：石英、陶瓷、半导体硅等结构：常用的弹性元件结构有梁、柱、筒、膜片、膜盒、弹簧管和波纹管等。
图2－1 丝式电阻应变片基本结构1—基片；2—敏感栅；3—覆盖层；4—引线2．金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图2－1所示。
第二章 传感器的特性及标定
y a1 x a3 x 3 a5 x 5 具有这种特性的传感器，在靠近原点的相当大范
X
2．非线性特性的“线性化”
在实际使用非线性特性传感器时，如果非线性项次不 高，在输入量不大的条件下，可以用实际特性曲线的切线 或割线等直线来近似地代表实际特性曲线的一段，如图所 示，这种方法称为传感器的非线性特性的线性化。所采用 的直线称为拟合直线。
X
2.2.3频率响应函数
初始值均为零时，输出的傅立叶变换和输入的傅立叶变 换之比，是在频域中对系统传递信息特性的描述 傅立叶变换
Y j bm j bm1 j b1 j b0 H j n n1 X j an j an1 j a1 j a0
H j
K
2 1 ( ) 2 j( ) 0 0
K
H j
1 ( ) 4 ( )
这些函数有：传递函数、频率响应函数和脉冲 响应函数等。
X
2.2.2算子符号法与传递函数
1.算子符号法
dny d n1 y dy d mx d m1 x dx an n an1 n1 a1 a0 y bm m bm1 m1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt
1 d2 y
2 0 dt2
K1 2 d y y 2 F t KF t 0 d t 0
1 2 2 s s 1 ys KF s 2 0 0
H s s2
2 0
K 2 s
0
1
X
y a1 x ； （1）理想线性特性见图（a）。当 a0 a2 a3 a n 0 时， （2）输出----输入特性方程仅有奇次非线性项如图（c）所示，即
第2章 传感器的基本特性
( x1 x) ( x 2 x) ( x m x) x m -1
2 2
2
可以证明，σ和
x 之间存在关系
x n
【例】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 20.70 20.78 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 解:(1）算术平均值为：
(２) 标准差
① 测量列的标准偏差 算术平均值反映了随机误差的分布中心，为更好的表征随 机变量相对于中心位置的离散程度，可引入标准偏差。 标准偏差是指随机误差的方均根值。
若测量列为一组测量值x1,x2,…,xn,其标准差σ为
2 1
( x1 A0 ) 2 ( x2 A0 ) 2 ( xn A0 ) 2 n
x1 x2 x16 x 39.50 16
（2）求标准差：
（3）根据
( x1 x) ( x2 x) ( x16 x)
2 2
2
16 - 1
0.38
Vi | xi x | 3 1.14
结论：无粗差
2.2 传感器的静态特性
传感器的静态特性是指在输入量为静态或缓慢变化时的 输入输出关系
返 回 上一页 下一页
（3）实际值 用精度更高一级的标准器具所测得的值称为实际值， 实际应用中可代替真值。 （4）标称值 一般由制造厂家为元件、器件或设备在特定运行条件 下所规定的量值。 （5）示值
由测量器具读数装置直接读出来的被测量的数值。
返
回
上一页
下一页
传感器原理及应用第2章
第2章 传 感 器 概 述 2.2.2 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应 特性。 由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传 感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中， 所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特 性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的 变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号
2） 一阶系统
若在方程式（2-8）中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的 系数均为零，则微分方程为
dy(t ) a1 a0 y (t ) b0 x(t ) dt
上式通常改写成为
dy(t ) y (t ) kx(t ) dt
(2-10)
第2章 传 感 器 概 述 式中：τ——传感器的时间常数，τ=a1/a0； k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。 时间常数τ具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小， 静态灵敏度则说明其静态特性。用方程式（2-10）描述其动态特 性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。 如前面提到的不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻
入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代
表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的 直线称为拟合直线。
第2章 传 感 器 概 述 传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合 直线之间的最大偏差值ΔLmax 与满量程输出值YFS 之比。线性度
也称为非线性误差，用γL表示，即
第2章 传 感 器 概 述
第2章 传 感 器 概 述
2.1 传感器的组成和分类 2.2 传感器的基本特性
第2章 传 感 器 概 述
2.1 传感器的组成和分类
传感器原理及应用-第2章
电桥电路
力、加速度、荷重等
应变
电阻变化
电压、电流
图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理
电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导 体的压阻效应制成的一种传感元件。
电阻应变片的分类： 金属应变片和半导体应变片。
一、电阻应变片
（一）工作原理——应变效应
导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时， 其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。
第二章 应变式传感器
主要内容：
一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器
本章重点：
电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理
基本要求：
掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性， 掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握 压阻式传感器的工作原理及设计特点。
in2x
图2-10 应变片对应变波的动态响应
应变片对正弦应变波的响应是在其栅长 l 范围内所
感受应变量的平均值 m，低于真实应变波 t ，从而
产生误差。
t 瞬时应变片中点的应变(真实应变波) 值为：
t
0
s
in2
xt
t 瞬时应变片的平均应变(实际响应波) 值为：
m
也可写成增量形式
RRKs
l l
Ks
式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
金属丝的灵敏系数取决于两部分：
①金属丝几何尺寸的变化， 0 .3 (1 2 ) 1 .6
②电阻率随应变而引起的变化
Hale Waihona Puke 金属丝几何尺寸 金属本身的特性C
如康铜，C≈1， Ks ≈2.0。其他金属， Ks一般在1.8~4.8范围内。
第二章 传感器的基本特性
47
二阶系统的动态响应（振动系统）
二阶系统传递函数
b0 kw Y ( s) H ( s) 2 2 X ( s) a2 s a1s a0 s 2 wm s wn
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差；
YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝
max 100% YFS T
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
23
其它特性指标
分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
14
迟滞
重合的现象称迟滞。
输入量增大
传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
输入量减小
15
迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H max / Y
FS
100%
H max Y2 Y1
例：一电子秤
增加砝码 电桥输出 减砝码输出
为正、反 行程输出值间的最大差值
10g —— 50g —— 100g —— 200g 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
16
重复性
传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
Rmax rR 100% YFS
43
反变换后得出输出的振幅和频率变化特性
e 1 ( / ) y (t ) sin(t ) 2 2 2 2 (1/ ) (1/ )
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• 从费米能级恒定观点来看，热平衡pn结具有统一费米能级。 • 形成pn结之后，n区费米能级和p区费米能级统一。
EFn EFpk0TlnNn dN i2 aq 0
• 可见，q 0 是热平衡时电子从 N区进入到P区、空穴从P区 进入到N区需要跨越的势垒 高度。
• 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction ）,有时也叫做接触（contact）.
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种物质构成的结叫做 异质结（如硅和锗）。
• 由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和 P-型锗），由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N硅、P-硅和N－锗）。
晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 • 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。 • 外延工艺可以方便地可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓
度，杂质分布陡峭的外延层。 • 外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外
延（HWE）、原子层外延技术。
5. 光刻工艺： • 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺而
• （1）绝缘栅介质 • 对于MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料。
（2）掺杂阻挡 • SiO2可以做选择性掺杂的有效掩蔽层。
（3）器件保护和隔离
• 硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保 护硅内的灵敏器件。
（4）电容器的绝缘介质材料
（5）作为多层金属互连层之间的介质材料 • SiO2是微芯片金属层间的有效绝缘体，能防止上层金属和下层金属间
的短路。
亚0.25μmCMOS剖面
（6）表面钝化
• 热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降 低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化。
① 可防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部玷污物引起的 漏电流的通路；
② 可以保护Si免受后期制作中有可能发生的刮擦和工艺损伤；
2. 扩散工艺： 由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于 均匀的趋势，这种现象称为扩散。 常用扩散工艺： 液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。 液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源， 从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片 四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。
（d)图形掩膜、曝光
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成PN结
(i)蒸发/溅射金属
（j） PN 结制作完成
突变结与线性缓变结
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （b）线性缓变结近似（实线）的
（虚线）
深扩散结（虚线）
光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅仅是为了必要图形的 转移，一旦图形经过刻蚀或离子注入，就要被去掉。
• 负胶： • 曝光后不可溶。 • 正胶： • 曝光后可溶。
光刻工艺过程示意图
• 采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程：
(a)抛光处理后的n型硅晶片 (b)采用干法或湿法氧化 (c)光刻Leabharlann 层匀胶及坚膜 工艺的晶片氧化层制作
使用的一种工艺技术。 • 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏
化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长 光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 • 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶； 反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之 为负性胶；
• 因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。 • 广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它
们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
半导体工艺
• 1.氧化工艺： 1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。 这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。 在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下六条： （1）绝缘栅介质； （2）杂质阻挡； （3）器件保护和隔离； （4）电容器的绝缘介质材料； （5）作为多层金属互连层之间的介质材料； （6）表面钝化。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。
• PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触 器件外，所有结型器件都由PN结构成。
• PN结本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富的物理知识， 掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形 成的结构叫做PN结。
2.边界层（空间电荷区和中性区的边界）
• 非本征德拜长度（边界层的宽度）：
2
2
LDqNdV TNa q2N kd0 TNa
3. 离子注入技术： • 将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较
高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经 过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。
离子注入机：
4.外延工艺： • 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来
2.1 热平衡PN结
2.1.1 PN结空间电荷区
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图
（b）接触后的能带图
2.1.2 电场分布与电势分布
• 1.中性区
• n型中性区： • p型中性区：
• n型与p型中性区之间的电位差为：0npkq 0TlnNn aN i2 d
• 称为内建电势差或扩散电势差。
利用APCVD淀积SiO2
• 利用APCVD淀积SiO2和掺杂氧化硅。传统上这些膜经常作为层间介 质，保护性覆盖或者表面平坦化。
➢ 用SiH4淀积SiO2：
• 注： 1. 通常用氩气或氮气稀释SiH4（体积百分比2％－10％）； 2. 可在450－500℃低温下进行； 3. 优势在于铝连线上作为层间介质隔离ILD的SiO2； 4. 台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。