半导体敏感元件(力敏)
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ZnO压敏电阻基本特性微观结构
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ＺｎＯ压敏电阻的基本特性与微观结构Basic characteristic and microstructure of ZnO varistors季幼章中国科学院等离子体物理研究所合肥２３００３１摘要： ZnO 压敏电阻是一种电阻值对外加电压敏感的半导体敏感元件，主要功能是辨别和限制瞬态过电压，反复使用不损坏。
ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特性、物理特性和化学特性。
微观结构是体现这些性质的媒介，是 ZnO 压敏电阻的基础。
关键词：ZnO 压敏电阻；电学性质；物理特性；化学特性；微观结构１引言ＺｎＯ压敏电阻是半导体电子陶瓷器件，主要功能是识别和限制瞬态过电压，反复使用而不损坏。
它的电流（Ｉ）—电压（Ｕ）特性是非线性的，与稳压二极管相似。
但与二极管不同，压敏电阻能限制的过电压在两个极性上相等，于是呈现的Ｉ－Ｕ特性很象两个背对背的二极管。
压敏电阻能用于交流和直流电场，电压范围从几伏到几千伏，电流范围从毫安到几千安。
压敏电阻还附加有高能量吸收能力的特性，范围从几焦耳到几千焦耳。
它的通用性使得压敏电阻在半导体工业和电力工业都有应用。
ＺｎＯ压敏电阻是用半导体ＺｎＯ粉末和其它氧化物粉末如：Ｂｉ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ等经过混合、压型和烧结工艺而制成。
得到的产品是具有晶界特性的多晶陶瓷，这一边界特性决定了压敏电阻的非线性Ｉ－Ｕ特性。
ＺｎＯ压敏电阻的基本特性包括电学特性、物理特性和化学特性。
微观结构是体现这些性质的媒介，是ＺｎＯ压敏电阻的基础。
敏电阻的作用接近于绝缘体，此后它的作用相当于导体。
对设计者关注的电学特性，是它在导电过程的非线或非欧姆特性，以及它作为电阻时，正常工作电压下的低泄漏电流（功率损耗）。
这些特性能够用曲线的三段重要区域来说明。
图１在宽电流密度和电场范围上的典型Ｉ－Ｕ曲线2.1.1 小电流线性区２ＺｎＯ压敏电阻的基本特性2.1 ZnO 压敏电阻的电性质ＺｎＯ压敏电阻最重要的性质是它的非线性Ｉ－Ｕ特性，如图１所示。
第四篇力敏传感器
第四章力敏传感器教学目标：1．了解弹性敏感元件的特性和要求。
2．了解几种常用测力称重传感器的特点、3．掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应4．了解电桥电路的作用。
5．掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
6．理解压电式传感器的工作原理。
了解它的特点。
7．了解它们的应用。
力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。
它是生产过程中自动化检测的重要部件。
它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。
它主要用于两个方面：测力和称重。
本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。
§4-1（传感器中的）弹性敏感元件一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1）图4-1弹簧管压力表的组成框图弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。
二、弹性元件的基本特性：1．变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
2．弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。
3．弹性元件：具有弹性变形特性的物体。
4．弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。
5．弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。
（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。
（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。
元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。
6．线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。
三、弹性敏感元件的基本要求及类型：弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。
它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
基本要求：（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。
（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。
（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。
半导体敏感元件(温敏)解读
7. IC温度传感器
工作原理分析
改进型集成电路对管温度传感器
沈 阳 工 业 大 学
根据镜像电流源原理 Ic1=Ic2=Ic3=Ic4=I1
晶体管的反向饱和电流与发射结面积成正比
Is3=γIs4
q q Ic3 Is3 exp Vbe3 (1) Ic4 Is4 exp Vbe4 (2) KT KT
玻璃管温度计
双金属温度计
1.概述
温标 －用来度量物体温度数值的标尺。
沈 阳 工 业 大 学
规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际 上用得较多的温标有经验温标(华氏温标、摄氏温标等)、热力学温标。 摄氏温标：单位为oC； 华氏温标：水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180等份，对应每份
结构：热电极 + 绝缘材料 + 金属保护套
学 特点：可以弯曲，挠性好，强度高，测端热容量小，动态响应快(0.01s)。
c) 薄膜型热电偶：
具有热容量小, 反应速度快等特点, 热响应时间达到微秒级。
2.热电偶（thermocouple）
2.4 热电偶结构
沈 阳 工 业 大 学
普通工业热电偶 普通工业热电偶
本征载流子浓度与温度的关系 ni=CT3/2exp(-Eg0/2kT)
qV g 0 KT
I s AqCT 3e
Dp D ( n ) BT 3e Ln N A L p N D
qV g 0 KT
I F BT e
qVg 0 qU f 3 KT KT
KT BT 3 U f Vg 0 ln q If
9 的温度为1华氏度。摄氏温度和华氏温度的关系为：t F t C 32 5
半导体敏感元件(光敏)-PPT精品文档
有光照时PN结能带图
2.光电效应
外光电效应
沈 阳 工 业 大 学
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
1 2 hv mv 0 A 0 2
真空光电管的伏安特性
光电管
光电倍增管
3.光电管
（1）光照特性
光电管的基本特性
沈 阳 工 业 大 学
通常指当光电管的阳极和阴极之 间所加电压一定时，光通量与光电流 之间的关系。
有光照时
( n n ) q ( p p ) q
0 n 0 p 0
pn
本征光电导
h Eg
0
hc 1240 (nm ) E E g g
光敏电阻器及其测量电路
杂质吸收系数小于本征吸收系数，杂质中激发的光生载流子浓度较小
4.光电导效应器件-光敏电阻器
（4）响应时间和频率特性
E 基本特性
沈 阳 工 业 大 学
光电导的弛豫现象： 光电流的变化对于光的变化，在
时间上有一个滞后。通常用响应时间
t表示。 当光突然照到光电二极管上时，输
出信号从峰值的10%上升到90%的时间，
表示响应速度
tr 2 .2 C jR L
频率特性差是光敏电阻的一个缺点。
4.光电导效应器件-光敏电阻器
沈 阳 工 业 大 学
农作物日照时数测定。输出接 单片机的I/O口，每2分钟对此口查 询1次，为高电平，计数一次，为 低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL，有光照V0=VH。光照
Rw
A
RC
V0
RG
时间 H。
N H 24 (h ) 720
4.光电导效应器件-光敏电阻器
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 温度敏感陶瓷材料
❖ 陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③稳定性。
❖ 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。
❖ 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
半导体敏感元件(热敏元件与温度传感器)
解决方案
为了提高温度传感器的可靠性，可以采用耐极端环境的材料和制造工艺，优化结构设计，加强品质控制等方法。此外，定期检查和维护也是保持传感器可靠性的重要措施。
要点三
可靠性问题
06
未来展望
利用纳米材料的高敏感性和稳定性，提高热敏元件和温度传感器的精度和可靠性。
纳米材料
复合材料
生物材料
探索新型复合材料，结合不同材料的优点，实现更广泛的温度测量范围和更高的稳定性。
利用生物材料的独特性能，开发具有生物相容性和环保性的热敏元件和温度传感器。
03
02
01
新材料的应用
研究先进的薄膜工艺，降低热敏元件和温度传感器的制造成本，提高生产效率。
薄膜工艺
利用微纳加工技术，实现热敏元件和温度传感器的微型化和集成化，提高其响应速度和灵敏度。
微纳加工技术
开发具有柔性的热敏元件和温度传感器，适应不同应用场景的需求，如可穿戴设备和生物医疗领域。
磁阻元件
磁阻元件是一种利用磁性材料电阻变化的传感器，其电阻值随温度变化而变化。磁阻元件具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点，常用于高精度温度测量和控制系统。
热磁效应
04
温度传感器的应用
工业生产过程中需要对温度进行精确控制，以确保产品质量和生产效率。温度传感器可以实时监测生产设备的温度，并将数据反馈给控制系统，实现精确的温度控制。
详细描述
要点三
总结词
可靠性问题是指温度传感器在特定条件下能否正常工作的问题，涉及到传感器的使用寿命和故障率。
要点一
要点二
详细描述
温度传感器的可靠性问题主要与其工作环境和内部结构有关。在高温、低温、高湿、高压等极端环境下，传感器可能会出现故障或性能下降。此外，传感器的结构设计、制造工艺和材料选择也会影响其可靠性。
为了提高温度传感器的可靠性，可以采用耐极端环境的材料和制造工艺，优化结构设计，加强品质控制等方法。此外，定期检查和维护也是保持传感器可靠性的重要措施。
要点三
可靠性问题
06
未来展望
利用纳米材料的高敏感性和稳定性，提高热敏元件和温度传感器的精度和可靠性。
纳米材料
复合材料
生物材料
探索新型复合材料，结合不同材料的优点，实现更广泛的温度测量范围和更高的稳定性。
利用生物材料的独特性能，开发具有生物相容性和环保性的热敏元件和温度传感器。
03
02
01
新材料的应用
研究先进的薄膜工艺，降低热敏元件和温度传感器的制造成本，提高生产效率。
薄膜工艺
利用微纳加工技术，实现热敏元件和温度传感器的微型化和集成化，提高其响应速度和灵敏度。
微纳加工技术
开发具有柔性的热敏元件和温度传感器，适应不同应用场景的需求，如可穿戴设备和生物医疗领域。
磁阻元件
磁阻元件是一种利用磁性材料电阻变化的传感器，其电阻值随温度变化而变化。磁阻元件具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点，常用于高精度温度测量和控制系统。
热磁效应
04
温度传感器的应用
工业生产过程中需要对温度进行精确控制，以确保产品质量和生产效率。温度传感器可以实时监测生产设备的温度，并将数据反馈给控制系统，实现精确的温度控制。
详细描述
要点三
总结词
可靠性问题是指温度传感器在特定条件下能否正常工作的问题，涉及到传感器的使用寿命和故障率。
要点一
要点二
详细描述
温度传感器的可靠性问题主要与其工作环境和内部结构有关。在高温、低温、高湿、高压等极端环境下，传感器可能会出现故障或性能下降。此外，传感器的结构设计、制造工艺和材料选择也会影响其可靠性。
Z-半导体敏感元件原理与应用
当光照为 Ｌ 时 ，伏安特 陛上移 ，工作点 由 ２ Ｑ１ 移至 Ｑ （ ｚ ， ２ ， ２ｖ ２Ｉ ）输出电压为 ｖ ２则 ： Ｚ ｏ，
ｖＯ２ Ｅ－ ２ Ｅ Ｉ ２ＲＬ ＝ ＶＺ ＝ — Ｚ
反 向光电压灵敏度用 ｓ （ ／Ｏ ｌ表示： ＲｍＶ１０ｘ １
Ａ ，一
一 一 百 百
（ ３ ）
２ ． ２光敏 ｚ元件的伏安特陛曲线 ＿ 图 １ｄ 为光敏Ｚ 元件的的伏安特 陛曲线。 （） — 在 第一象限， Ｐ段 Ｍ１ Ｏ 区为高阻区 （ 几十千欧～ 几百 千欧） ｆ Ｍ２区为负阻区， 。ｐ段 ｆ ｍ段 Ｍ３区为低阻 区（ 几十千欧～ 几百千欧 ） 。其中 Ｖ ｈ叫阈值 电压 ， ｔ 表示在 Ｔ ） ｚ 元件两端电压的最大值。 ｈ （时 ＿ ℃ Ｉ 叫阈 ｔ 值 电流， ｚ 元件与 Ｖｈ 是 — ｔ对应的电流。Ｖ 叫导通 ｆ 电压， Ｍ３区电压的最小值。ｆ 是 Ｉ叫导通电流 ， 是对 应 ｖ 的电流， ｆ 也是 Ｍ３区电流的最小值。 在第三象 限为反向杼 陛， 反向电流 Ｉ Ｒ是在无光照时反向电 压Ｖ Ｒ为 ２ Ｖ时测量的， ５ 其值（ 微安级） 很小。 ３光敏 ｚ元件的光敏特陛 ＿ ３ ． 光 照时光 敏 ｚ 元件 正 、反 向伏安特 陛 １无 — 的测量 用遮光罩把光敏 ｚ 元件罩上 ， 一 即在无光照的 情况下， 利用 图 １１ （特性测量电路测量其正 、 ｃ 反向 伏安特陛， 测量电路与方法与温敏 元件相同。 ３ ． ２光敏 Ｚ 元件正向光敏｝ — 辛胜 把 ｚ 元件接在正向特陛测量 电路上 ，－ — ｚ 元件 放置在可变照度的光场中。 测量时照度由小到大 ， 每次递增 ｌ０ｘ用数字照度计校准 ， Ｏ １， 然后测量 ｚ 一 元件的正向特 陛， 记录不同照度时的 Ｖｈｈ 、ｆ。 ｔ、ｈＶ 从测试可知 ， 光敏 ｚ 元件的阈值点 Ｐ ｈ ｔ 一 ｔ，￣随着 Ｉ 照度的增加 ， 一直向左偏上方向移动如图 ２ａ，ｔ （ Ｖｈ １ 随光照增加而增大， ｆ Ｖ 变化较小。 ｔ、ｈ与照度 Ｌ Ｖｈｈ
对几种Z-元件工作原理的分析
维普资讯
Ｓ ＥＮ ＣＩ ＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮ ＯＬ０ＧＹ Ｉ ０Ｒ ＮＦ ＭＡＴ１ ０Ｎ
工 程 技 术
对几种 Ｚ 一元件 工作原理的分析
张细丽 （ 福建省泉州市技工学校 ３２０ ） ６ ０ ０ 摘 要 ：Ｚ一元件具有进一 步的开发潜 力，扩 充其特性和应 用可形成一些新 型电子器件 。本 文重点介绍光敏 Ｚ一元 件、磁敏 Ｚ 一元 件的特性 、力敏 Ｚ 一元件 ，Ｖ／ Ｆ转换 器的工作原理 、典 型应 用电路、设计 方法等问题 。 关健 词 ：ｚ 一元件 光敏 ｚ 一元件 磁敏 ｚ 一元件 力敏 ｚ 一元件 Ｖ Ｆ转换器 传感 器 ／ 中图分类号 ：Ｖ２ ３ ７ ４ 文献标 识码 ：Ａ ３ ．＋ １ Ｚ 一半导体 敏感元件 （ 简称 Ｚ一元件 ） 性能奇特 ，应用 电路 为几 微安 至 几十微 安 。 简单 而且规 范 ，使 用组态 灵活 ，应用 开发潜 力大 。它包 括 Ｚ一 光敏 Ｚ 一元 件反向光敏特性 ：把 Ｚ 一元件连接在反向特性测 元 件在 内仅 用两 个 元 器件 ，就 可构 成 电路 最 简单 的三 端传 感 量 电路 中，并把 Ｚ 一元件置于可变光场 中。改变光场照度 ，用数 器 ，实 现 多种 用途 。特 别是 其 中的 三端 数 字传 感 器 ， 已引起 字 照度计校准 ，测量其反向特 性 ， 即反 向电压 ＶＲ与反 向电流 Ｉ Ｒ 许 多 用 户的 关 注 。 的关 系。可以看出其反向电阻随 照度增加而减小 ，反 向电流随光 Ｚ一元 件现 有温 ．光 ．磁 ，以 及正在开 发 中的力敏 四个 品 照 增 强 而 变 大 。 种 ，都 能以 不 同的 电路 组态 ，分 别输 出开 关 、模 拟或 脉 冲频 １２ 光 敏 Ｚ ． 一元 件 的 应 用 电路 率 信号 ，相 应构 成 不 同品种 的 三端 传感 器。其 中光 、磁或 力 光敏 Ｚ一元件有与温敏 Ｚ一元 件相似的正 、反向伏安特性 ， 敏 Ｚ一元 件几个品种 ，其可供 开发的扩 展空 间将 十分可观 。 为 温敏 Ｚ 一元 件的应用电路 ，在理论 上都适用于光敏 Ｚ 一元件 。考 了拓宽 Ｚ 一元 件的应 用领域 ，很有从深度上和广度上进一步研究 虑 到光敏 Ｚ 元件的 Ｖｔ 一 ｈ、Ｉｈ、Ｉ 有一定 的温漂 ，因此在光 ｔ Ｒ 的价 值 。 开 关 电路 中，应 当有 抗温 度干扰 的余量 ，在 模拟应 用 电路 中， 光敏 Ｚ 一元 件是 Ｚ 一半导体敏感元 件产品系列中重要品种之 应 采用具 有抗 温漂 自动补偿 电路 。 它具 有与 温敏 Ｚ一元 件相 似的伏安 特性 ，该 元件也具 有应 用 电路极 其简单 、体 积小 、输 出幅值 大、 灵敏度 高 ．功 耗低 ．
Ｓ ＥＮ ＣＩ ＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮ ＯＬ０ＧＹ Ｉ ０Ｒ ＮＦ ＭＡＴ１ ０Ｎ
工 程 技 术
对几种 Ｚ 一元件 工作原理的分析
张细丽 （ 福建省泉州市技工学校 ３２０ ） ６ ０ ０ 摘 要 ：Ｚ一元件具有进一 步的开发潜 力，扩 充其特性和应 用可形成一些新 型电子器件 。本 文重点介绍光敏 Ｚ一元 件、磁敏 Ｚ 一元 件的特性 、力敏 Ｚ 一元件 ，Ｖ／ Ｆ转换 器的工作原理 、典 型应 用电路、设计 方法等问题 。 关健 词 ：ｚ 一元件 光敏 ｚ 一元件 磁敏 ｚ 一元件 力敏 ｚ 一元件 Ｖ Ｆ转换器 传感 器 ／ 中图分类号 ：Ｖ２ ３ ７ ４ 文献标 识码 ：Ａ ３ ．＋ １ Ｚ 一半导体 敏感元件 （ 简称 Ｚ一元件 ） 性能奇特 ，应用 电路 为几 微安 至 几十微 安 。 简单 而且规 范 ，使 用组态 灵活 ，应用 开发潜 力大 。它包 括 Ｚ一 光敏 Ｚ 一元 件反向光敏特性 ：把 Ｚ 一元件连接在反向特性测 元 件在 内仅 用两 个 元 器件 ，就 可构 成 电路 最 简单 的三 端传 感 量 电路 中，并把 Ｚ 一元件置于可变光场 中。改变光场照度 ，用数 器 ，实 现 多种 用途 。特 别是 其 中的 三端 数 字传 感 器 ， 已引起 字 照度计校准 ，测量其反向特 性 ， 即反 向电压 ＶＲ与反 向电流 Ｉ Ｒ 许 多 用 户的 关 注 。 的关 系。可以看出其反向电阻随 照度增加而减小 ，反 向电流随光 Ｚ一元 件现 有温 ．光 ．磁 ，以 及正在开 发 中的力敏 四个 品 照 增 强 而 变 大 。 种 ，都 能以 不 同的 电路 组态 ，分 别输 出开 关 、模 拟或 脉 冲频 １２ 光 敏 Ｚ ． 一元 件 的 应 用 电路 率 信号 ，相 应构 成 不 同品种 的 三端 传感 器。其 中光 、磁或 力 光敏 Ｚ一元件有与温敏 Ｚ一元 件相似的正 、反向伏安特性 ， 敏 Ｚ一元 件几个品种 ，其可供 开发的扩 展空 间将 十分可观 。 为 温敏 Ｚ 一元 件的应用电路 ，在理论 上都适用于光敏 Ｚ 一元件 。考 了拓宽 Ｚ 一元 件的应 用领域 ，很有从深度上和广度上进一步研究 虑 到光敏 Ｚ 元件的 Ｖｔ 一 ｈ、Ｉｈ、Ｉ 有一定 的温漂 ，因此在光 ｔ Ｒ 的价 值 。 开 关 电路 中，应 当有 抗温 度干扰 的余量 ，在 模拟应 用 电路 中， 光敏 Ｚ 一元 件是 Ｚ 一半导体敏感元 件产品系列中重要品种之 应 采用具 有抗 温漂 自动补偿 电路 。 它具 有与 温敏 Ｚ一元 件相 似的伏安 特性 ，该 元件也具 有应 用 电路极 其简单 、体 积小 、输 出幅值 大、 灵敏度 高 ．功 耗低 ．
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引引 覆上覆 基石
l
压电电电电电电
b
2. 应变片
金属箔式应变片 沈
2.4金属应变片
在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相
阳
制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
工 业 大 学 金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄绝缘基片上形成厚度在 1µm以下 的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。
3.3 P型硅单轴应力下的压阻效应
电导率变化： ∆σ = ∆pq( µ Ph − µ Pl ) = ∆nq 2 < τ > ( 1 − 1* ) *
m ph m pl
m* > m* ph pl
∆σ < 0
拉伸应力，电阻率增大；
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
3.4 压阻系数
dρ
ρ
= πσ
横向压阻 纵向压阻
2 2 2 π t = π 12 + (π 11 − π 12 − π 44 )( L1 L2 + m12 m2 + n12 n2 ) 2
2 1 z
式中，L2 , m2 , n2 为y与1、2、3方向余弦；
学
∆R = π Lσ L + π t σ t R
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
3.4 压阻系数
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学
2.5半导体电阻应变片
优点：灵敏系数比金属电阻应变片大数十倍，横向效应和机械滞后极小。 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。
薄膜型半导体应变片
2. 应变片
沈 阳 工 业 应变式加速度传感器 大 学
2.6应变片的使用
应变式荷重传感器
应变式加速度传感器结构示意图 1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片
π 14 π 24 π 34 π 44 π 54 π 64
π 15 π 25 π 35 π 45 π 55 π 65
π 16 σ 1 π 26 σ 2 π 36 σ 3 π 46 σ 4 π 56 σ 5 π 66 σ 6
1. 几个基本概念
S F
切应力与切应变
沈 阳
剪切形变： 剪切形变：
F"
b a F' 工
F"'
B B' ψ A
C C' D
c
在力偶作用下, 两平行截面发生相对移动的形变。 在力偶作用下 两平行截面发生相对移动的形变。
业
与垂直距离AB之比 与垂直距离 切应变：平行截面相对滑动距离 切应变：平行截面相对滑动距离BB'与垂直距离 之比
(110)面方形膜片电阻排布方式
σr
σtg
σ
r
设计要点：合理利用压阻系数和正负应力区 应力分布
3.4 压阻系数
δ 1 π 11 δ π 2 21 δ 3 π 31 = δ 4 π 41 δ 5 π 51 δ 6 π 61
π 12 π 22 π 32 π 42 π 52 π 62
π 13 π 23 π 33 π 43 π 53 π 63
R4
4.1压阻全桥原理
A 恒流源
R1＋△ R1 R2-△ R2 Vp
R1
Vo
R2 Io R3
受力后
Io
R3＋△ R3
R4-△ R4
恒流源供电
学
V0 =
R1 R3 − R2 R4 • I0 R1 + R2 + R3 + R4
V p = ∆R • I 0
优点： 电桥输出与温度无关。？
另外可进行远距离传输而不降低传感器精度。
力学量传感器
广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量
课程主要内容
沈 阳 工 业 大 学 4. 压阻式压力传感器设计 5. 信号处理电路 1. 几个基本概念 2. 应变片 3. 压阻效应
电阻式力学传感器
1. 几个基本概念
沈 阳 工 业 大 学
ε纵 =
应力(T)： 固体单位面积所受的内力(拉力[+]或压力[-] ) 。
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学
体型半导体应变片
2.5半导体电阻应变片
P型硅，〈111〉晶向的压阻系数最大，多采用P型硅。 N型硅，〈100〉晶向的压阻系数最大。 型杂质扩散到N型硅单晶基底上 型导电层， 将P型杂质扩散到 型硅单晶基底上，形成一层极薄的 型导电层， 型杂质扩散到 型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
V0 =
R1
Vo
4.1压阻全桥原理
B恒压源
R2 VB R3
R 1 ＋△ R 1
R2-△ R2 Vp
受力后
VB
R3＋△ R3
R4
R4-△ R4
恒压源供电
R1 R3 − R2 R4 VB ( R1 + R2 )( R3 + R4 )
恒压源供电
V p = VB ∆R / R
业 大 学 优点： 优点：
R3－⊿R3 U U0
∆R1 U0 = U R1
没有非线性误差；电压灵敏度是使 用单只应变片的4倍，能温度补偿。
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学 应变片主要性能指标举例
2.6应变片的使用
3.压阻效应
沈 阳 工
电导率为：
3.1半导体压阻效应
对半导体施加应力时，除产生形变外，能带结构也要相应发生变化，因而 材料的电阻率（或电导率）就要改变。这种由于应力的作用使电阻率发生改变 的现象称作压阻效应。
圆形膜片示意图 σ 0.635r0
σr
σtg
应力分布
r
0.812r0
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
R4 R1,3 [110] R2 R4 [110]
4.2传感器膜片结构
(
(a)圆形膜片
∆R )1,3 = 1 π 44 (σ r − σ tg ) 2 R
(
∆R ) 2 , 4 = 1 π 44 (σ金属丝串接组成。
α 2 + K 2 (β g − β 2 ) ∆R2t / R2 R1 =− =− R2 ∆R1t / R1 α 1 + K1 ( β g − β1 )
R1
R2
2. 应变片
沈 阳 工 温度误差及其补偿 电桥补偿法、 电桥补偿法、热敏电阻
2.6应变片的使用
dR = (1 + 2µ + π E )ε R
k0 =
dR R
学
ε
= 1 + 2 µ + πE
k0
1+ 2 µ
材料的几何尺寸变化引起的
金属
πE
材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
半导体
2. 应变片
外力作用
2.3应变片的类型和材料
沈
应变片
阳
被测对象表面产生微小机械变形
工 业
应变片敏感栅随同变形
大 学
π 44
0
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大
单晶硅同时受纵向、横向压阻系数时，
2 2 π L = π 11 − 2(π 11 − π 12 − π 44 )( L1 m12 + m12 n12 + n12 L1 )
3.4 压阻系数
3 σt y I
σL
x
式中，L1 , m1 , n1 为x与1、2、3方向余弦；
2. 应变片
沈 阳 工 业
实现温度补偿的条件: 实现温度补偿的条件
2.6应变片的使用
温度误差及其补偿
∆Rt = ∆Rtα + ∆Rtβ = R0α∆t + R0 K 0 ( β g − β s )∆t
a. 选择式自补偿应变片
εt =
α ∆t
K0
+ (β g − β s )∆t = 0
大
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
掺杂浓度为参变量P-Si的π44-T关系 P型硅室温下（001） 面纵向、横向压阻系数 （10-7cm-2/N） 影响压阻系数因数：
A、压阻系数为负温度系数； B、掺杂浓度越高，温度系数越小； C、与晶向和搀杂类型有关； D、掺杂浓度高，压阻系数小。
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
恒流源供电
2. 应变片
沈
L
2.1应变效应
阳 工 业 大 学 电阻应变示意图
L+dL F
2r 2(r+dr) F
F
dl、dA 、dρ
dR
2. 应变片
沈 阳 工 业 大
电阻灵敏度系数：
2.2电阻灵敏度
dR dl dA dρ = − + ρ R l A
dl / l = ε , dr / r = − µ ε , dρ / ρ = π σ = π E ε
R1,3
R2
(100)面圆形膜片电阻排布方式1
(100)面圆形膜片电阻排布方式2
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
因此 (a）圆形膜片 在（110）面上
4.2传感器膜片结构
π L = 1 2 π 44
R1
R4
R2 R3
[110] [001] 很小
[110]
π t = 0 = π 12
学
∆R ( )1,3 = 1 π 44σ r > 0 2 R ∆R ( ) 2 , 4 = 1 π 44σ r < 0 2 R
l
压电电电电电电
b
2. 应变片
金属箔式应变片 沈
2.4金属应变片
在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相
阳
制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
工 业 大 学 金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄绝缘基片上形成厚度在 1µm以下 的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。
3.3 P型硅单轴应力下的压阻效应
电导率变化： ∆σ = ∆pq( µ Ph − µ Pl ) = ∆nq 2 < τ > ( 1 − 1* ) *
m ph m pl
m* > m* ph pl
∆σ < 0
拉伸应力，电阻率增大；
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
3.4 压阻系数
dρ
ρ
= πσ
横向压阻 纵向压阻
2 2 2 π t = π 12 + (π 11 − π 12 − π 44 )( L1 L2 + m12 m2 + n12 n2 ) 2
2 1 z
式中，L2 , m2 , n2 为y与1、2、3方向余弦；
学
∆R = π Lσ L + π t σ t R
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
3.4 压阻系数
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学
2.5半导体电阻应变片
优点：灵敏系数比金属电阻应变片大数十倍，横向效应和机械滞后极小。 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。
薄膜型半导体应变片
2. 应变片
沈 阳 工 业 应变式加速度传感器 大 学
2.6应变片的使用
应变式荷重传感器
应变式加速度传感器结构示意图 1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片
π 14 π 24 π 34 π 44 π 54 π 64
π 15 π 25 π 35 π 45 π 55 π 65
π 16 σ 1 π 26 σ 2 π 36 σ 3 π 46 σ 4 π 56 σ 5 π 66 σ 6
1. 几个基本概念
S F
切应力与切应变
沈 阳
剪切形变： 剪切形变：
F"
b a F' 工
F"'
B B' ψ A
C C' D
c
在力偶作用下, 两平行截面发生相对移动的形变。 在力偶作用下 两平行截面发生相对移动的形变。
业
与垂直距离AB之比 与垂直距离 切应变：平行截面相对滑动距离 切应变：平行截面相对滑动距离BB'与垂直距离 之比
(110)面方形膜片电阻排布方式
σr
σtg
σ
r
设计要点：合理利用压阻系数和正负应力区 应力分布
3.4 压阻系数
δ 1 π 11 δ π 2 21 δ 3 π 31 = δ 4 π 41 δ 5 π 51 δ 6 π 61
π 12 π 22 π 32 π 42 π 52 π 62
π 13 π 23 π 33 π 43 π 53 π 63
R4
4.1压阻全桥原理
A 恒流源
R1＋△ R1 R2-△ R2 Vp
R1
Vo
R2 Io R3
受力后
Io
R3＋△ R3
R4-△ R4
恒流源供电
学
V0 =
R1 R3 − R2 R4 • I0 R1 + R2 + R3 + R4
V p = ∆R • I 0
优点： 电桥输出与温度无关。？
另外可进行远距离传输而不降低传感器精度。
力学量传感器
广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量
课程主要内容
沈 阳 工 业 大 学 4. 压阻式压力传感器设计 5. 信号处理电路 1. 几个基本概念 2. 应变片 3. 压阻效应
电阻式力学传感器
1. 几个基本概念
沈 阳 工 业 大 学
ε纵 =
应力(T)： 固体单位面积所受的内力(拉力[+]或压力[-] ) 。
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学
体型半导体应变片
2.5半导体电阻应变片
P型硅，〈111〉晶向的压阻系数最大，多采用P型硅。 N型硅，〈100〉晶向的压阻系数最大。 型杂质扩散到N型硅单晶基底上 型导电层， 将P型杂质扩散到 型硅单晶基底上，形成一层极薄的 型导电层， 型杂质扩散到 型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
V0 =
R1
Vo
4.1压阻全桥原理
B恒压源
R2 VB R3
R 1 ＋△ R 1
R2-△ R2 Vp
受力后
VB
R3＋△ R3
R4
R4-△ R4
恒压源供电
R1 R3 − R2 R4 VB ( R1 + R2 )( R3 + R4 )
恒压源供电
V p = VB ∆R / R
业 大 学 优点： 优点：
R3－⊿R3 U U0
∆R1 U0 = U R1
没有非线性误差；电压灵敏度是使 用单只应变片的4倍，能温度补偿。
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学 应变片主要性能指标举例
2.6应变片的使用
3.压阻效应
沈 阳 工
电导率为：
3.1半导体压阻效应
对半导体施加应力时，除产生形变外，能带结构也要相应发生变化，因而 材料的电阻率（或电导率）就要改变。这种由于应力的作用使电阻率发生改变 的现象称作压阻效应。
圆形膜片示意图 σ 0.635r0
σr
σtg
应力分布
r
0.812r0
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
R4 R1,3 [110] R2 R4 [110]
4.2传感器膜片结构
(
(a)圆形膜片
∆R )1,3 = 1 π 44 (σ r − σ tg ) 2 R
(
∆R ) 2 , 4 = 1 π 44 (σ金属丝串接组成。
α 2 + K 2 (β g − β 2 ) ∆R2t / R2 R1 =− =− R2 ∆R1t / R1 α 1 + K1 ( β g − β1 )
R1
R2
2. 应变片
沈 阳 工 温度误差及其补偿 电桥补偿法、 电桥补偿法、热敏电阻
2.6应变片的使用
dR = (1 + 2µ + π E )ε R
k0 =
dR R
学
ε
= 1 + 2 µ + πE
k0
1+ 2 µ
材料的几何尺寸变化引起的
金属
πE
材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
半导体
2. 应变片
外力作用
2.3应变片的类型和材料
沈
应变片
阳
被测对象表面产生微小机械变形
工 业
应变片敏感栅随同变形
大 学
π 44
0
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大
单晶硅同时受纵向、横向压阻系数时，
2 2 π L = π 11 − 2(π 11 − π 12 − π 44 )( L1 m12 + m12 n12 + n12 L1 )
3.4 压阻系数
3 σt y I
σL
x
式中，L1 , m1 , n1 为x与1、2、3方向余弦；
2. 应变片
沈 阳 工 业
实现温度补偿的条件: 实现温度补偿的条件
2.6应变片的使用
温度误差及其补偿
∆Rt = ∆Rtα + ∆Rtβ = R0α∆t + R0 K 0 ( β g − β s )∆t
a. 选择式自补偿应变片
εt =
α ∆t
K0
+ (β g − β s )∆t = 0
大
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
掺杂浓度为参变量P-Si的π44-T关系 P型硅室温下（001） 面纵向、横向压阻系数 （10-7cm-2/N） 影响压阻系数因数：
A、压阻系数为负温度系数； B、掺杂浓度越高，温度系数越小； C、与晶向和搀杂类型有关； D、掺杂浓度高，压阻系数小。
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
恒流源供电
2. 应变片
沈
L
2.1应变效应
阳 工 业 大 学 电阻应变示意图
L+dL F
2r 2(r+dr) F
F
dl、dA 、dρ
dR
2. 应变片
沈 阳 工 业 大
电阻灵敏度系数：
2.2电阻灵敏度
dR dl dA dρ = − + ρ R l A
dl / l = ε , dr / r = − µ ε , dρ / ρ = π σ = π E ε
R1,3
R2
(100)面圆形膜片电阻排布方式1
(100)面圆形膜片电阻排布方式2
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
因此 (a）圆形膜片 在（110）面上
4.2传感器膜片结构
π L = 1 2 π 44
R1
R4
R2 R3
[110] [001] 很小
[110]
π t = 0 = π 12
学
∆R ( )1,3 = 1 π 44σ r > 0 2 R ∆R ( ) 2 , 4 = 1 π 44σ r < 0 2 R