第2章 半导体压力传感器2011
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第二章力传感器4重点
可见，如果ω/ω0>>1，即作用力变化频率与测量回路时 间常数的乘积远大于1时。前置放大器的输入电压Uim与 频率无关。一般认为ω/ω0≥3，可近似看作输入电压与 作用力频率无关。这说明，在测量回路时间常数一定的 条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。
当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，
U R 1a1KR 1Fj q jCa1KCF
输出电压
U SC K U R 1a1KR 1 F j q j K C a1KC F
若考虑电缆电容Cc，则有
U SC R 1a1KR 1F jj q C K aC c1KC F
当K足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电 荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q 及反馈回路的参数CF和RF。由于1／RF<<ωCF,则
(c) FX>0
即在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z轴方向
P1＋P2＋P3＝0 则不出现电荷。
当晶体在Y轴方向力FY作用时： 当FY＞0时，晶体的形变与在X轴方向力FX＜0 相似； 当FY＜0时，则与在X轴方向力FX ＞ 0 相似。
可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它 在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效
（一）等效电路
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作
用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电
荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，也可把它视
为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其
电容量为
电极
Ca
S
d
r0S
d
当两极板聚集异性电荷
＋＋＋＋ q ――――
压电晶体
q Ca
第2章 电阻应变式传感器
2
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
《半导体传感器》PPT课件
29
10.3 色敏传感器
10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极
二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构 原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传 感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机 理。
图10-9 半导体色敏传感器结构
30
10.3 色敏传感器
7
10.1 半导体气敏传感器
10.1.2 气敏传感器的种类
◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。
1. 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在
金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧
结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结
型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~
300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，
9
10.1 半导体气敏传感器
◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度。
第10章 半导体传感器
1 10.1 半导体气敏传感器 2 10.2 湿敏传感器 3 10.3 色敏传感器 4 10.4 半导体式传感器的应用
1
10.1 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成 分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用 最多的是半导体气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、 石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的 监测、预报和自动控制。
10.3 色敏传感器
10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极
二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构 原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传 感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机 理。
图10-9 半导体色敏传感器结构
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10.3 色敏传感器
7
10.1 半导体气敏传感器
10.1.2 气敏传感器的种类
◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。
1. 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在
金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧
结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结
型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~
300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，
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10.1 半导体气敏传感器
◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度。
第10章 半导体传感器
1 10.1 半导体气敏传感器 2 10.2 湿敏传感器 3 10.3 色敏传感器 4 10.4 半导体式传感器的应用
1
10.1 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成 分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用 最多的是半导体气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、 石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的 监测、预报和自动控制。
自动化传感器实验2011
应变片单臂电桥性能实验电容式传感器的位移特性实验直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验霍尔测速实验/磁电式转速传感器测速实验压阻式压力传感器的压力测量实验传感器为灵敏器件，注意爱护，损坏需赔偿，每次实验完成后需整理好实验台，放好实验设备，等待老师检查后方可离开！实验台上共分有气源模块（压力表），电源输入(2-24V)输出模块（电压表），转速/频率表等单元，电源模块中的黑色端口统一为GND端，且内部已经接好，如需要，任选其一。
实验一应变片单臂电桥性能实验2011-10-29 10个学时一、实验目的1. 掌握应变片的布片及接桥方法；2. 了解金属箔式应变片单臂桥的工作原理和测量电路。
二、基本原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε，式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε＝ΔL/L为电阻丝长度的相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。
电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压U o1＝U i Kε/4。
三、需用器件与单元主机箱(±2V~±10V步进可调直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表数显单元)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
实验模块上的R1，R2，R3，R4为应变片已装入传感模块的桥梁比上，R5，R6，R7为固定电阻，各为350欧姆。
四、实验步骤：1.实验模板中的差动放大器调零：按图1-1示意接线，将差动运放的两个输入端对地短接，输出接实验台的电压表的VI 端。
给实验模块供电（±15V及GND）。
将主机箱的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机电源开关。
调节实验模块中放大器的增益电位器RW3到中间位置（先逆时针轻轻转到底，再顺时针回转2圈半，共约5圈）后，放上托盘，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4,使实验台的电压表显示零。
第二章力传感器1
式中 A——由桥臂电阻和电源电压E决定的常数。
若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻
温度系数 t 和线膨胀系数 g 满足上式的条件，即可实 现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补
偿应变片。
单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使
用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料 的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。 26
机械滞后值还与应变 指
片所承受的应变量有关， 加载时的机械应变愈大，
示 应 变
卸载时的滞后也愈大。所 εi
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。
卸载 Δε
加载
Δε1
机械应变ε
应变片的机械滞后 17
（4） 零点漂移和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应
②双丝组合式自补偿应变片
是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负 值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围 内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种 应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏 感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号 相反，即
(ΔRa) t= – (ΔRb) t
变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应
变量。
10
（2） 基底和盖片
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖 片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏 感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。
（3） 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材 料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性 能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
第二章力传感器2
螺旋管
l r 铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
7
4 N 2 2 7 L lr r 1lc rc 10 2 l
2 2
L——线圈的自感量；N——线圈的匝数； rc——磁芯半径； r——线圈的平均半径；l——螺管线圈长度； lc——磁芯插入线圈的长度；μr——铁心相对磁导率。
根据传感器灵敏度的定义，可得单线圈螺管型自感传感 2 2 器灵敏度 L 4 N r 1rc2 107 S lc l2 或
工作原理是基于线圈磁力线泄漏路径上的磁阻的变化。 属于大气隙传感器，分单线圈和差动式两种结构形式。 组成：螺管线圈和圆柱形铁芯。 传感器工作时，通过改变磁芯在线圈中的相对位置，引 起螺管线圈自感量的变化。当用恒流源激励时，假定线 圈内磁场强度是均匀的，且磁芯插入线圈的长度小于线 圈本身的长度，则此时线圈的输出的自感量为
工作时z1zz和z2zzzeusc??zlr1r2z2z1l1l2rs1rs2交流电桥原理图uscezrzzzll???2其输出电压幅值lj?rlj?rezzeusssc???????2?2当zl时??????elrlelrrlussssc222222222?????????????2222lrrzs???输出阻抗14???????????????????????????????????????1?ssssscrrllqjllrrqqe2u111122srlq??为自感线圈的品质因数
其线性和稳定性。
10
（三）自感线圈的等效电路
实际传感器中包括： 4 c Nlcp 铜损电阻（Rc） Rc d 2 N为线圈匝数，lcp为平均每匝长度 d为线径、 ρc为导线电阻率 涡流损耗电阻（Re）
Rc C Re
L
l r 铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
7
4 N 2 2 7 L lr r 1lc rc 10 2 l
2 2
L——线圈的自感量；N——线圈的匝数； rc——磁芯半径； r——线圈的平均半径；l——螺管线圈长度； lc——磁芯插入线圈的长度；μr——铁心相对磁导率。
根据传感器灵敏度的定义，可得单线圈螺管型自感传感 2 2 器灵敏度 L 4 N r 1rc2 107 S lc l2 或
工作原理是基于线圈磁力线泄漏路径上的磁阻的变化。 属于大气隙传感器，分单线圈和差动式两种结构形式。 组成：螺管线圈和圆柱形铁芯。 传感器工作时，通过改变磁芯在线圈中的相对位置，引 起螺管线圈自感量的变化。当用恒流源激励时，假定线 圈内磁场强度是均匀的，且磁芯插入线圈的长度小于线 圈本身的长度，则此时线圈的输出的自感量为
工作时z1zz和z2zzzeusc??zlr1r2z2z1l1l2rs1rs2交流电桥原理图uscezrzzzll???2其输出电压幅值lj?rlj?rezzeusssc???????2?2当zl时??????elrlelrrlussssc222222222?????????????2222lrrzs???输出阻抗14???????????????????????????????????????1?ssssscrrllqjllrrqqe2u111122srlq??为自感线圈的品质因数
其线性和稳定性。
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（三）自感线圈的等效电路
实际传感器中包括： 4 c Nlcp 铜损电阻（Rc） Rc d 2 N为线圈匝数，lcp为平均每匝长度 d为线径、 ρc为导线电阻率 涡流损耗电阻（Re）
Rc C Re
L
传感器原理及应用(第三版)第2章
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金属丝的应变灵敏系数
K0由两部 分组成
①受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）
②受力后材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε（与几何尺寸及 金属丝本身特性有关）
对于金属电阻丝（1+2μ ）>>（Δ ρ /ρ ）/ε ，金属丝应变片灵敏 系数k0主要由材料的几何尺寸变化决定，即对于用金属制成的应变片 来说，起主要作用的是应变效应（电阻的相对变化与伸长或缩短间 存在比例关系叫应变）。金属丝的μ =0.25～0.5(钢的μ =0.285)故 k0≈1+2μ ，k0≈1.5～2。 对于半导体则不同：当半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生 明显的变化，称为压阻效应。因此（Δρ/ρ）/ε=πE >> （1+2μ ） 故可忽略（1+2μ ）的影响，即对于用半导体制成的压阻传感器来说， 起主要作用的是压阻效应。半导体的k0≈ πE ≈ 50～100，灵敏度是 金属材料的几十到上百倍。 弹性模 压阻系
AR RK
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返
回
不引入补偿块（如下图所示） – 起到温度补偿作用 – 可提高灵敏度
A：如图，R1、RB正交粘结 则： U AR' RK (1 )
0
R正反面（R1受拉，应变为正；RB受压，应变为负） 则： '
U0 2 AR RK
应变计
应变片的粘贴
1. 检查通断 13.固定 5 .用透明胶带将应变片与构件在引脚处 临时固定，移动胶带位置使应变片达到 3 .再用细砂纸精磨（ 45度交叉纹）。 粘贴、焊接后，用胶布将引线和 正确定位。 2 .在选定贴应 被测对象固定在一起，防止拉动 4 .用棉纱或 引线和应变片。 变片的位置划
金属丝的应变灵敏系数
K0由两部 分组成
①受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）
②受力后材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε（与几何尺寸及 金属丝本身特性有关）
对于金属电阻丝（1+2μ ）>>（Δ ρ /ρ ）/ε ，金属丝应变片灵敏 系数k0主要由材料的几何尺寸变化决定，即对于用金属制成的应变片 来说，起主要作用的是应变效应（电阻的相对变化与伸长或缩短间 存在比例关系叫应变）。金属丝的μ =0.25～0.5(钢的μ =0.285)故 k0≈1+2μ ，k0≈1.5～2。 对于半导体则不同：当半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生 明显的变化，称为压阻效应。因此（Δρ/ρ）/ε=πE >> （1+2μ ） 故可忽略（1+2μ ）的影响，即对于用半导体制成的压阻传感器来说， 起主要作用的是压阻效应。半导体的k0≈ πE ≈ 50～100，灵敏度是 金属材料的几十到上百倍。 弹性模 压阻系
AR RK
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不引入补偿块（如下图所示） – 起到温度补偿作用 – 可提高灵敏度
A：如图，R1、RB正交粘结 则： U AR' RK (1 )
0
R正反面（R1受拉，应变为正；RB受压，应变为负） 则： '
U0 2 AR RK
应变计
应变片的粘贴
1. 检查通断 13.固定 5 .用透明胶带将应变片与构件在引脚处 临时固定，移动胶带位置使应变片达到 3 .再用细砂纸精磨（ 45度交叉纹）。 粘贴、焊接后，用胶布将引线和 正确定位。 2 .在选定贴应 被测对象固定在一起，防止拉动 4 .用棉纱或 引线和应变片。 变片的位置划
半导体压阻式传感器
▪ 悬臂梁用单晶硅半导体制成，梁的一端 固定在传感器基座上，另一端悬挂质量 块。
▪ 在硅梁根部集成4个应变片构成压阻桥 （其布置与电桥相似）。
3.2.2 加速度测量原理
▪ 当传感器装在被测物体上随之运动时， 传感器具有与被测件相同的加速度。
▪ 质量块按牛顿定律（第二定律）产生力 作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受 应力作用而引起其电阻值变化。
R Rl RS R
lS
2.2 料而言， 较大，而 S 和 l
很小。电阻相对变化率主要取决于电阻率的相
对变化。
R (1 2) E (1 2 E)
R
R
K R 1 2 E
3 半导体压阻式传感器应用
▪ 压阻效应被用来制成各种压力、应力、应 变、速度、加速度传感器，把力学量转换 成电信号.
▪ 用于压力、拉力、压力差和可以转变为力 的变化的其他物理量（如液位、加速度、 重量、应变、流量、真空度）的测量和控 制。
3.1 扩散型压阻式压力传感器
▪ 扩散型压阻式压力传感器可制成： ①硅杯式 ②硅梁式 ③硅柱式 ④片簧式
3.1.1 硅杯式结构
3.1.2 硅杯式变换器原理
▪ 硅杯式变换器是利用同一块硅材料制作 出硅膜片和支撑环。
3.2.2 输入输出关系
▪ 根据材料力学理论，可推算出悬臂梁根部应变
为 ▪
6ml a
Ebh 2
▪ m为质量块质量，l为质量块中心到悬臂梁根部 的距离，E为悬臂梁材料的弹性模量，b为悬臂 梁宽度，h为悬臂梁厚度，a为被测加速度。
▪ 将四个应变片电阻接成全电桥形式，则电桥的 电压输出值表征了物体的加速度。
▪ 半导体压阻效应的强弱用压阻系数π表征。
▪ 压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的
▪ 在硅梁根部集成4个应变片构成压阻桥 （其布置与电桥相似）。
3.2.2 加速度测量原理
▪ 当传感器装在被测物体上随之运动时， 传感器具有与被测件相同的加速度。
▪ 质量块按牛顿定律（第二定律）产生力 作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受 应力作用而引起其电阻值变化。
R Rl RS R
lS
2.2 料而言， 较大，而 S 和 l
很小。电阻相对变化率主要取决于电阻率的相
对变化。
R (1 2) E (1 2 E)
R
R
K R 1 2 E
3 半导体压阻式传感器应用
▪ 压阻效应被用来制成各种压力、应力、应 变、速度、加速度传感器，把力学量转换 成电信号.
▪ 用于压力、拉力、压力差和可以转变为力 的变化的其他物理量（如液位、加速度、 重量、应变、流量、真空度）的测量和控 制。
3.1 扩散型压阻式压力传感器
▪ 扩散型压阻式压力传感器可制成： ①硅杯式 ②硅梁式 ③硅柱式 ④片簧式
3.1.1 硅杯式结构
3.1.2 硅杯式变换器原理
▪ 硅杯式变换器是利用同一块硅材料制作 出硅膜片和支撑环。
3.2.2 输入输出关系
▪ 根据材料力学理论，可推算出悬臂梁根部应变
为 ▪
6ml a
Ebh 2
▪ m为质量块质量，l为质量块中心到悬臂梁根部 的距离，E为悬臂梁材料的弹性模量，b为悬臂 梁宽度，h为悬臂梁厚度，a为被测加速度。
▪ 将四个应变片电阻接成全电桥形式，则电桥的 电压输出值表征了物体的加速度。
▪ 半导体压阻效应的强弱用压阻系数π表征。
▪ 压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的