应变片的类型及其工作原理

电阻应变片
摘要：电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。

本文详细介绍电阻应变片的分类，构造，工作原理及其应用。

关键词：金属电阻应变片半导体应变片
1.电阻应变片的分类及其工作原理
电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

2.金属电阻应变片
2.1金属电阻应变片的分类及其结构
金属电阻应变片分为丝式、箔式，薄膜式三种。

金属丝电阻应变片的典型结构见图。

它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。

图2.1-2
金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。

金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。

由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。

2.2薄膜式应变片
薄膜式应变片的敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的。

其厚度一般在0.1μm以下。

实际上，通常是将薄膜式应变片与传感器的弹性体制成一个不可分割的整体，亦即在传感器弹性体的应变敏感部位表面上首先沉积形成很薄的绝缘层，然后在其上面沉积薄膜应变片的图形，然后再覆上一层保护层。

由于薄膜式应变片与传感器的弹性体之间只有一层超薄绝缘层（厚度仅为几个纳米），很容易通过弹性体散热，因此允许通过比其他种类应变片更大的电流，并可以获得更高的输出和更佳的稳定性。

应变式力传感器
电阻应变片的外形
1、电阻应变片• 电阻应变式力传感器的核心是电阻应变片。

• 导体或半导体材料在外力作用下伸长或缩短时，它的电阻值会相应的发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。

• 将应变片贴在被测物体上，使其随着被测物的应变一起伸缩，这样应变片里面的金属材料就随着外界的应变变长或缩短，其阻值也就会相应的变化。

• 应变片就是利用应变效应，通过测量电阻的变化而对应变进行测量的。

2.3金属电阻应变片工作原理简介
金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。

电阻应变效应的理论公式如下:
由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。

当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加;当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。

因此，只要能测出电阻值的变化，
便可金属丝的应变情况。

这种转换关系为
式中:
R---金属丝电阻值的变化量;
Ko---金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为
常数值;
ε---金属材料的轴向应变值,即,因此又称ε为长度应变值,对金属丝而言,
其值勤
在0.24--0.4之间.
在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械零件的表面。

当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。

这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。

2.4金属电阻应变片电桥电路图
金属电阻应变片应用于力学测量时，需要和电桥电路一起使用;由于应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移现象，故多采用交流放大器对信号进行放大处理，所以应变片电桥电路一般都采用交流电供电，组成交流电桥。

根据读数方法的不同，电桥又分为平衡电桥和不平衡电桥两种。

平衡电桥仅适合测量静态参数，而不平衡电桥则适合测量动态参数。

由于直流电桥和交流电桥在工作原埋上相似，为了方便起见，下面仅就直流不平衡电桥进行介绍。

图所示电路是输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。

第一桥臂接电阻应变片R1，其他三个桥臂接固定电阻。

当应变片R1末发生应变时，由于没有阻值变化，电桥维持初始平衡条件的R1.R4=R2.R3，因而输出为零，即 UOUT=A(Rl.R4一R2.R3)=0
当应变片产生应变时，应变片产生△R1的电阻变化，电桥处于不平衡状态，此时
假设，并考虑到电桥初始平衡条件，省略去分母中的微量，
则上式可写成为
从式中可以看出，输出电压正比于应变片发生应变时产生的电阻变化量们。

3.半导体应变片
3.1半导体应变片的定义及其应用
利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，又称半导体应变片。

压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象。

半导体应变片需要粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在弹性敏感元件上间接地感受被测
外力。

利用不同构形的弹性敏感元件可测量各种物体的应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械量。

半导体应变片与电阻应变片相比，具有灵敏系数高（约高 50～100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少等优点。

P型和N型硅的灵敏系数符号相反，适于接成电桥的相邻两臂测量同一应力。

早期的半导体应变片采用机械加工、化学腐蚀等方法制成，称为体型半导体应变片。

它的缺点是电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大等。

这曾限制了它的应用和发展。

自70年代以来，随着半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片，上述缺点得到一定克服。

半导体应变片主要应用于飞机、导弹、车辆、船舶、机床、桥梁等各种设备的机械量测量。

3.2半导体应变片分类
3.2.1体型半导体应变片
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。

①普通型:它适合于一般应力测量；
②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；
④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧）,可接成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。

⑤超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；
⑥P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。

3.2.2薄膜型半导体应变片
这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在
带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制成的（图1）。

它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。

因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变片。

薄膜型半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片的优点，并避免了它的缺点，是一种较理想的应变片。

3.2.3扩散型半导体应变片
这种应变片是将 P型杂质扩散到一个高电阻N型
硅基底上，形成一层极薄的P型导电层,然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成（图2）。

它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变片小一个数量级。

缺点是由于存在P-N结，当温度升高时,绝缘电阻大为下降。

新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。

3.2.4外延型半导体应变片
这种应变片是在多晶硅或蓝宝石的衬底上外延一层单晶硅而制成的。

它的优点是取消了P-N结隔离，使工作温度大为提高(可达300℃以上)。

3.3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。

其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等，给使用带来一定困难。