生物医学传感电阻传感器

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1、7/25/20241第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器 17/25/20242 基本工作原理是将被测物理量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。 包括包括电位器式、电位器式、压阻式、压阻式、热阻式、热阻式、应变式应变式等。等。学习要点学习要点: : 1. 电位器式传感器：线性电位器和非线性电位器 2. 应变式传感器：应变效应、电桥测量电路和温度补偿原理 3. 压阻式传感器：压阻效应、测量桥路及温度补偿工作原理工作原理7/25/20243第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器 电位器是一种常用的电子元件，广泛应用于各种电器和电位器是一种常用的电子元件，广泛应用于各种

2、电器和电子设备中。它主要是一种电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来来使用。使用。|特点特点: : 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间性能稳定。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。容易磨损。|应用应用: : 主要用于测量位移、角位移，还可以测量能转换为位主要用于测量位移、角位移，还可以测量能转换为位移的其它非电量如压力、高度、加

3、速度等各种参数。移的其它非电量如压力、高度、加速度等各种参数。 |分类分类: : 按其结构形式不同，可分为按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式线绕式、薄膜式、光电式等；按输入等；按输入- -输出特性的不同，可分为输出特性的不同，可分为线性电位器和非线性电线性电位器和非线性电位器位器。目前常用的以。目前常用的以单圈线绕电位器单圈线绕电位器居多。居多。7/25/20244常用电位器式传感器有:直线位移型、角位移型、非线性型。左左图为典型的典型的电位器式位器式传感器感器的的结构原理。它由构原理。它由电阻元件阻元件（包括（包括骨架和金属骨架和金属电阻阻丝）和）和电刷（刷（活活动触点触点）两个

4、基本部）两个基本部分分组成。成。由由图可可见，当有机械位移，当有机械位移时，电位器的位器的动触点触点产生位移，而生位移，而改改变了了动触点相触点相对于于电位参考位参考点（点（A点）的点）的电阻阻，从而实，从而实现了非电量（位移）到电量现了非电量（位移）到电量（电阻值或电压幅值）的转换。（电阻值或电压幅值）的转换。电位器式传感器有电位器式传感器有线性线性和和非非线性线性电位器式传感器两大类。电位器式传感器两大类。1.1 1.1 电位器式传感器的结构电位器式传感器的结构7/25/20245图3-1电位器式传感器原理图a）直线位移式b）转角位移式1金属电阻丝2骨架3电刷7/25/20246电位器式传

5、感器结构形式电位器式传感器结构形式电位器式传感器分类滑线式半导体式骨架式分段电阻式液体触点式电位器式传感器结构 如右图所示。 7/25/202471.2 1.2 线性电位器式传感器线性电位器式传感器线性电位器式传感器的理想空载（负载电阻）特性曲线应具有严格的直线性关系。图3-2是线性电位器式传感器原理图。由图可见，线性电位器式传感器的骨架截面处处相等，由材料均匀的金属电阻丝按相等截距绕制成电阻元件，因此其最大电阻值为：式中， 为导线的电阻率； 为导线的截面积； 和 分别为骨架的宽度 和高度； 为电位器线圈的总匝数。图3-2线性电位器式传感器原理图a）结构图b）原理图7/25/20248由于电位

6、器单位长度上电阻值处处相等，当电刷行程为 时，对应的空载输出电阻和输出电压分别为： 和式中， 和 分别为电位器电刷的最大行程和加于电位器两端的最大电压； 和 分别为线性电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度。由于 ， 为导线间的节距，因此 和 可表示为： 和式中， 为导线中的电流。7/25/20249实际上绕线线性电位器的变换是一匝一匝进行的，电刷每移过一匝，输出电压（或电阻）产生一个增量 （ ），其值为：由此可见，绕线线性电位器传感器的输入输出特性不是线性的，而是一条阶梯特性曲线。其理想阶梯特性曲线见图3-3。由图3-3可求出绕线线性电位器传感器的电压分辨率电压分辨率 ，其定义为：在工作行程内电位器

7、产生一个可测得出的输出在工作行程内电位器产生一个可测得出的输出电压变化量与最大输出电压之比的百分数，电压变化量与最大输出电压之比的百分数，即： 图3-3 绕线线性电位器传感器理想阶梯特性曲线7/25/202410由图3-3可求出绕线线性电位器传感器的阶梯误差阶梯误差 ，其定义为理想阶梯特性曲线与理想的理论直线的最大偏差值与最大输出电压之比的百分数，即：上面研究的是线性电位器的空载特性空载特性。实际上，由于负载电阻 ，当传感器带负载时的工作特性称为负载特负载特性性。由于负载效应的存在，传感器的负载特性与理想空载特性之间存在着偏差称为负载误差负载误差。负载误差与负载电阻 的大小有关，负载电阻 愈大

8、，负载误差愈小，反之亦然。7/25/202411例：例：带负载线性电位器传感器电路见图带负载线性电位器传感器电路见图3-4。图中，。图中， ， ， ， ， 。求负载误差。求负载误差。若若 ，负载误差又是多少？，负载误差又是多少？解解：位移 时传感器电阻和空载输出电压分别为：由图可求得带负载 时的输出电压为： 图3-4 带负载电位器传感器电路图7/25/202412 引起的负载误差为：引起的负载误差为： 若负载 ，可求得输出电压为： 引起的负载误差为引起的负载误差为： 由此可见，欲使负载误差小于由此可见，欲使负载误差小于1.0%，必须保证负载电阻，必须保证负载电阻 以上。以上。7/25/2024

9、13非线性电位器传感器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器触感器，也称为函数电位器传感器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其它任意函数，因此可以满足控制系统的特殊要求。常用的非线性电位器传感器有变骨架式、变节距式和分路电阻式等。1.3 非线性电位器传感器7/25/202414图3.5变骨架高度式非线性电位器结构参数、A、t不变,只改变骨架宽度b或高度h曲线上任取一小段,可视为直线，用图中折线逼近曲线电刷位移为x,对应的电阻变化就是R线性电位器灵敏度公式仍然成立：1.3.1 1.3.1 变骨架式非线性电位器变骨架式非线性电位器7/25/202415

10、当x0时,由上述两个公式可求出骨骨架架高高度度的的变变化化规规律为律为：只要骨架高度满足左边式子，即可实现线性灵敏度要求。变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的,因此其行程分辨率与线性电位器计算式相同。7/25/202416 结构特点结构特点 变骨架式非线性电位器理论上可以实现所要求的许多种函数特性,但结构必须满足： （1）为保证强度,骨架的最小高度hmin34mm,不能太 （2）骨架型面坡度应小于2030，否则绕制时容易产生倾斜和打滑, 产生误差,如图3.6(a)所示。 减小误差方法：（1）减小坡度，可采用对称骨架,如图3.6(b)所示。（2）减小具有连续变化特性的骨架的制造和绕制困难, 将骨

11、架设计成阶梯形的,如图3.7所示,实际是对特性曲线采用折线逼近。7/25/202417图图3.6对称骨架式对称骨架式（a)骨架坡度太高骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度对称骨架减少坡度7/25/202418图3.7阶梯骨架式非线性电位器实际是对特性曲线采用折线逼近.7/25/2024191.3.2 1.3.2 变节距式非线性线绕电位器变节距式非线性线绕电位器变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的非线性线绕电位器。 1.节距变化规律 变节距式电位器是在保持、A、b、h不变的条件下,用改变节距t的方法来实现所要求的非线性特性,如图3.8所示。可导出节距的基本表达式为7/25/202420图3.

12、8变节距式非线性电位器7/25/2024212. 结构与特点 骨架制造比较容易,（绕制较困难，但近年来数字程控绕制机减小了绕制困难），只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况,一般 其中可取其中可取7/25/202422分路电阻式非线性电位器传感器的工作原理实际上是通过折线逼近法来实现函数变换关系的，见图3-9 。图3-9分路电阻式非线性电位器传感器a）特性曲线b）电路图 1.3.3 1.3.3 分路（并联）电阻式非线性电位器分路（并联）电阻式非线性电位器 要实现实曲线所要求的特性:线性电位器全行程分若干段,引出一些抽头, 对每一段并联适当阻值,使得各段的斜率达到实线所需的大小(每一段内,电压输出

13、是线性的),而电阻输出是非线性的.若能求出各段并联电阻的大小,即可实现输出特性实线所要求的函数关系。7/25/202423 结构与特点 分路电阻式非线性电位器的行程分辨率与线性线绕电位器的相同。 分路电阻式非线性电位器原理上存在折线近似曲线所带来的误差,但加工、绕制方便,对特性曲线没有很多限制,使用灵活,通过改变并联电阻,可以得到各种特性曲线。7/25/202424第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应电阻应变效应电阻应变效应电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。应变式传感器组成框图应变式传感器组成框图非电量非电量应变应变电阻应变片电阻应变片弹性

14、元件弹性元件电阻变化电阻变化传感器传感器7/25/202425一、工作原理一、工作原理 （电阻应变效应）（电阻应变效应）FFL Lr r电阻应变效应电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。在未受到外力F F的作用时，电阻值为：7/25/202426当受到拉力作用F F后，电阻的相对变化量为:-电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数 =dL/L (=dL/L (纵向应变纵向应变) )7/25/202427讨论：1 1、应变的灵敏系数、应变的灵敏系数K K0 0受二个因素的影响：受二个因素的影响：几何形状变化的影响几

15、何形状变化的影响电阻率发生变化的影响电阻率发生变化的影响 2 2、 对于金属材料对于金属材料：对于半导体材料对于半导体材料：压阻效应压阻效应应变效应应变效应7/25/202428二、应变片结构与类型二、应变片结构与类型 1 1、结构、结构 电阻应变片由基底基底、敏感栅敏感栅、盖片盖片（有时加上引出线）组成。用粘贴剂粘贴剂将其粘贴在一起，构成完整的应变片。7/25/2024292 2、应变片的类型、材料及粘贴、应变片的类型、材料及粘贴(2)(2)应变片的粘贴应变片的粘贴 粘贴在应变变化均匀且较大的地方。基底、盖片基底、盖片 敏感栅敏感栅引出线引出线金属丝式金属丝式纸基、胶基纸基、胶基金属丝金属丝

16、 1250 m(回线式、短接式）回线式、短接式）康铜、镍铬合金、铂等康铜、镍铬合金、铂等 0.10.15mm镀锡铜丝镀锡铜丝金属箔式金属箔式胶基胶基金属箔片厚金属箔片厚310 m(通过照相制版或光刻技术通过照相制版或光刻技术)康铜、镍铬合金康铜、镍铬合金有或无有或无金属薄膜式金属薄膜式金属薄膜厚金属薄膜厚0.1 m以下以下溅射到相应的位置溅射到相应的位置无无（1 1）应变片的类型）应变片的类型7/25/2024307/25/202431常常用用金金属属电电阻阻丝丝材材料料的的性性能能 最常用最常用动态动态中高温中高温高温高温（3 3）应变片的材料）应变片的材料7/25/202432三、金属应变

17、片的主要特性三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨论贴在试件上后讨论）1. 1. 灵敏系数灵敏系数原因：原因：1）粘贴层传递变形失真 , 2）横向效应。且且 kkkk0 0。各种应变片7/25/2024332. 2. 横向效应横向效应 y x - y纵向伸长作用使电阻值增加纵向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小横向缩短作用使电阻值减小电阻增量电阻增量 减小减小。7/25/2024343. 3. 机械滞后机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后机械滞后。 原因：原因：残余应变残余应变；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形适当的变

18、形或者粘结剂固化不充分粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后应变片的机械滞后7/25/2024354 4、零漂和蠕变、零漂和蠕变即：即：零漂：零漂：,蠕变蠕变：,原因：存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮原因：存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮原因：绝缘电阻低、产生热电势等原因：绝缘电阻低、产生热电势等7/25/2024365 5、应变极限、应变极限6 6、电阻值或称原始电阻值、电阻值或称原始电阻值7 7、动态特性、动态特性测量变化频率较高的动态应变时考虑。应变片反映敏感栅的平均应变平均应变。 应变片传播速度应变片传播速度V=V=声波声波，7/25/2024371).

19、1).阶跃响应阶跃响应阶跃应变阶跃应变应变栅长度应变栅长度应变波传播速度应变波传播速度上升时间上升时间实际响应曲线实际响应曲线7/25/2024382).2).正弦应变波变化正弦应变波变化设：在应变片任意位置上设：在应变片任意位置上x x，通过的应变波为：，通过的应变波为：7/25/202439则基长则基长l l的平均应变的平均应变: :若测出的是平均应变的最大值若测出的是平均应变的最大值: :7/25/202440相对误差相对误差:误差误差与与n有关，有关，n越大，越大，越小越小一般取7/25/202441四、温度误差及补偿四、温度误差及补偿1 1、温度误差：、温度误差：1)1)敏感栅的金属

20、丝电阻本身随温度变化敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响和和材料线膨胀系数材料线膨胀系数的影响的影响7/25/2024422) 2) 电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同，使电阻电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同，使电阻相对变化为相对变化为：式中式中m m受力件材料的线膨胀系数；受力件材料的线膨胀系数； c c电阻丝材料的线膨胀系数；电阻丝材料的线膨胀系数； K K应变片灵敏度应变片灵敏度总电阻温度相对误差：总电阻温度相对误差：7/25/202443应变误差应变误差：应力误差应力误差：7/25/202444【习题习题习题习题1 1】 一试件为钢材，电阻丝为

21、康铜丝， c=1510-6/, m= 1110-6/，在t=1时， , K=2， ，计算其电阻相对误差、应变误差、应力误差？7/25/202445通常有通常有应变片自补偿应变片自补偿和和线路补偿线路补偿。2 2、 温度补偿温度补偿 （1)1)自补偿法自补偿法7/25/202446(2) (2) 线路补偿法线路补偿法: : 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。U Uo o= =A A( (R R1 1R R4 4- -R R2 2R R3 3) )R27/25/202447R1工作片工作片FR2补偿片补偿片补偿块补偿块7/25/202448半桥进行补偿（另

22、一种方法）半桥进行补偿（另一种方法）既实现了温度补尝，又实现了提高灵敏度的作用。既实现了温度补尝，又实现了提高灵敏度的作用。R1（拉）（拉）R2（压）（压）F7/25/202449五、测量电路电阻值的电阻值的变化变化电压电压/ /电流的电流的变化变化1 直流电桥直流电桥2 交流电桥交流电桥7/25/202450直流电桥直流电桥当当R RL L时时，电电桥桥输输出电压为：出电压为：1. 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件（一）直流电桥（一）直流电桥7/25/202451当电桥平衡时，当电桥平衡时，U Uo o=0=0，则，则R1R4=R2R3此式为此式为电桥平衡条件电桥平衡条件，即：，即：

23、电桥相邻两臂电阻的比值应相等，电桥相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂或相对两臂电阻的乘积应相等电阻的乘积应相等。7/25/202452 当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 ：2. 2. 电压灵敏度电压灵敏度7/25/202453设 桥 臂 比 n=R2/R1， 由 于 R1R1， 平 衡 条 件R2/R1=R4/R3，则：电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：7/25/2024543.3. 差动电桥差动电桥差动半桥差动半桥 差动全桥差动全桥 7/25/202455（二）（二） 交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥7/25/20

24、2456C1、C2表示应变片引线分布表示应变片引线分布电容电容。可可求求得得交交流流电电桥桥的的平平衡衡条条件件为：为：7/25/202457交交流流电电桥桥平平衡衡调调节节7/25/202458六、六、 应变片传感器的应用应变片传感器的应用1 1力传感器力传感器2 2压力传感器压力传感器3 3液重传感器液重传感器4 4加速度传感器加速度传感器7/25/2024591) 1) 圆柱圆柱( (筒筒) )式力传感器式力传感器柱式柱式筒式筒式圆柱面展开图圆柱面展开图桥路连线图桥路连线图1 1、 应变式力传感器应变式力传感器7/25/202460与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负与柱式相比，应力

25、分布变化较大，且有正有负。结构图结构图2) 2) 环式力传感器环式力传感器应力分布应力分布7/25/2024617/25/2024627/25/202463冲床生产记数和生产过程监测。冲床生产记数和生产过程监测。7/25/2024647/25/202465将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电量输出。7/25/202466膜片式压力传感器膜片式压力传感器应变变化图应变变化图应变片粘贴应变片粘贴2 2 、应变式压力传感器、应变式压力传感器7/25/2024673 3、 容器内液重传感器容器内液重传感器7/25/202468 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。 基本工作原

26、理：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。 4 4、 加速度传感器加速度传感器7/25/202469电阻应变式加速度传感器结构图电阻应变式加速度传感器结构图适用适用1060Hza=F/m7/25/202470振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器: : 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。7/25/202471桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量: :7/25/202472脉象传感器脉象传感器7/25/202473压压阻阻传传感感器器是是利利用用硅硅的

27、的压压阻阻效效应应和和微微电电子子技技术术制制成成的的一种新的物性型传感器。一种新的物性型传感器。第二节第二节 压阻式传感器压阻式传感器体型压力传感器体型压力传感器：半导体应变式半导体应变式固态压阻式传感器固态压阻式传感器（扩散型（扩散型压阻传感器）：压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化应变电阻与硅基片一体化7/25/202474材料阻值变化材料阻值变化：一、压阻效应一、压阻效应压阻效应压阻效应：当固体材料在某一方向承受应：当固体材料在某一方向承受应力时，其力时，其电阻率电阻率（或电阻）发生变化的现象。（或电阻）发生变化的现象。7/25/202475电阻相对变化量：电阻相对变化量：对金属材料对

28、金属材料：7/25/202476对半导体材料对半导体材料：式中：压阻系数；E弹性模量；应力；应变。 由于半导体的由于半导体的EE一般可达一般可达50-100,50-100,比（比（1+21+2）2 2 大大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成：mmsKKK10050=7/25/202477 晶晶体体是是具具有有多多面面体体形形态态的的固固体体，由由分分子子、原原子子或或离离子子有有规规则则排排列列而而成成。这这种种多多面面体体的的表表面面由由称称为为晶晶面

29、面的的许许多多平平面面围围合合而而成成。晶晶面面与与晶晶面面相相交交的的直直线线称称为为晶晶棱棱，晶晶棱棱的的交交点点称称为为晶晶体体的的顶顶点点。为为了了说说明明晶晶格格点点阵阵的的配配置置和和确确定定晶晶面面的的位位置置，通通常常引引进进一组对称轴线，称为一组对称轴线，称为晶轴晶轴，用，用X X、Y Y、Z Z表示表示。二、晶向的表示方法二、晶向的表示方法 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向各向异性材料异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向晶向表示的，表示的，所谓晶向就是所谓晶向就是

30、晶面晶面的法线方向。的法线方向。7/25/202478C ZOBAXY Y11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示 硅为立方晶体结构硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边，就取立方晶体的三个相邻边为为X X、Y Y、Z Z。在晶轴在晶轴X X、Y Y、Z Z上取与所有晶轴相交的上取与所有晶轴相交的某晶面为某晶面为单位晶面单位晶面，如图所示。，如图所示。 此晶面与坐标轴上的截距为此晶面与坐标轴上的截距为OAOA、OBOB、OCOC。已知某晶。已知某晶面在面在X X、Y Y、Z Z轴上的截距为轴上的截距为OAxOAx、OByOBy、OCzOCz，它们与单位，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成

31、：晶面在坐标轴截距的比可写成：7/25/202479式式中中，p p、q q、r r为为没没有有公公约约数数(1(1除除外外) )的的简简单单整整数数。为为了了方方便取其倒数得：便取其倒数得：式式中中，h h、k k、l l也也为为没没有有公公约约数数（1 1除除外外）的的简简单单整整数数。依依据据上上述述关关系系式式，可可以以看看出出截截距距OAOAx x、OBOBy y、OCOCz z的的晶晶面面，能能用用三个简单整数三个简单整数h h、k k、l l来表示来表示。h、k、l称为密勒指数称为密勒指数。7/25/202480 而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，而晶向是晶面的法线方向，根

32、据有关的规定，晶面晶面符符号为号为( (hklhkl) )，晶面全集晶面全集符号为符号为 hklhkl ，晶向晶向符号为符号为 hklhkl ，晶向全集晶向全集符号为符号为hklhkl。晶面所截的线段对于。晶面所截的线段对于X X轴，轴，O O点之点之前为正，前为正，O O点之后为负；对于点之后为负；对于Y Y轴，轴，O O点右边为正，点右边为正，O O点左边点左边为负；对于为负；对于Z Z轴，在轴，在O O点之上为正，点之上为正，O O点之下为负。点之下为负。 C ZOBAXY117/25/202481依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分

33、析立方晶体中的晶面、晶向。晶体中的晶面、晶向。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内几种不同晶向与晶面（b）（a）v 对立方晶系（对立方晶系（x=y=z,xyz),x=y=z,xyz),面指数为（面指数为（hkl)hkl)的的晶面与密勒指数为晶面与密勒指数为hklhkl的晶向彼此垂直。的晶向彼此垂直。7/25/202482例：例：v晶向、晶面、晶面族分别为：v晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-27/25/202483判断两晶面垂直判断两晶面垂直v两晶向两晶向Ah1k1l1与与Bh2k2l2:7/25/202484三、

34、压阻系数三、压阻系数1 1、单晶硅的压阻系数、单晶硅的压阻系数v六个独立的应力分量：v六个独立的电阻率的变化率：半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率电阻率的相对变化与应力成正比的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是，二者的比例系数就是压阻系数压阻系数。7/25/202485电阻率的变化与应力分量之间的关系电阻率的变化与应力分量之间的关系: :7/25/202486分析分析: :剪切应力不可能产生正向压阻效应剪切应力不可能产生正向压阻效应正向应力不可能产生剪切压阻效应正向应力不可能产生剪切压阻效应剪切应力只能在剪切应力平面内产

35、生压阻效应剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应剪切压阻系数相等剪切压阻系数相等正向压阻系数相等正向压阻系数相等横向压阻系数相等横向压阻系数相等分别为纵向、横向和分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数剪切方向的压阻系数7/25/202487对对P型硅型硅( (掺杂三价元素）：掺杂三价元素）：11、120，只考虑，只考虑44：对对N型硅型硅( (掺杂五价元素）掺杂五价元素）：440，12-1/211，晶体导电类型电阻率（.m)11 12 44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6压阻系数（压阻系数（10-11m2/N）7/25/202488pQ2 2、

36、任意方向（、任意方向（P P方向）电阻变化方向）电阻变化/123Iv：纵向应力纵向应力v：横向应力：横向应力v：纵向压阻系数纵向压阻系数v:横向压阻系数横向压阻系数7/25/202489将各个压阻系数向将各个压阻系数向P P、Q Q方向投影方向投影: :已知：已知：v(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦v(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦7/25/202490关于方向余弦关于方向余弦某晶向某晶向xyz(x,y,zxyz(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为是密勒指数）的方向余弦为：7/25/202491例例1：计算（：计算（100）晶面内）晶面内011晶向的纵向晶向的纵向与横向压阻系数

37、。与横向压阻系数。v（100）晶面内晶面内011晶向的横向为晶向的横向为011晶向晶向yxzv设设011与与011晶向的方向余弦分别为：晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n27/25/2024927/25/2024937/25/202494例例2：计算（：计算（110）晶面内）晶面内110晶向的纵向与晶向的纵向与横向压阻系数。横向压阻系数。v设（设（110110）晶面内晶向的一般形式为）晶面内晶向的一般形式为hkl,hkl,则：则：v取（取（110）晶面内）晶面内110晶向的横向为晶向的横向为0017/25/202495v设设110与与001晶向的方向余弦分别为：晶向的方向余

38、弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n27/25/2024967/25/2024973 3、影响压阻系数的因素、影响压阻系数的因素 扩散电阻的扩散电阻的表面杂质浓度表面杂质浓度和和温度温度。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS/cm-3P型Si(44)N型Si(-11)11或44/10-11m2/NT=24压阻系数与表面杂质浓度NS的关系v扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小7/25/202498解释：vn：载流子浓度：载流子浓度ve：载流子所带电荷：载流子所带电荷v：载流子迁移率：载流子迁移率v：电阻率：电阻率

39、vNs杂质原子数多杂质原子数多载流子多载流子多nv杂质浓度杂质浓度Nsn在应力作用下在应力作用下的变化更小的变化更小/7/25/202499v表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快v表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢7/25/2024100解释：vT载流子获得的动能载流子获得的动能运动乱运动乱/Ns大，大，变化较小变化较小变化小变化小Ns小，小，变化大变化大变化大变化大Ns大：受温度影响小受温度影响小高浓度扩散，使高浓度扩散，使p-n结击穿电压结击穿电压绝缘电阻绝缘电阻漏电漏电漂移漂移性能不稳定性能不稳定7

40、/25/2024101四、固态压阻器件四、固态压阻器件1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 3粘贴剂 4硅底座 5引压管 6Si 保护膜 7 引线7/25/2024102 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图 (a)(a)所示，其阻值的相对变化为：所示，其阻值的相对变化为： 式中式中 l l纵向应力；纵向应力； t t横向应力；横向应力； l l纵向压阻系数；纵向压阻系数； t t横向压阻系数。横向压阻系数。力敏电阻受力情况示意图力敏电阻受力情况示意图（a）001100010llttR

41、7/25/2024103 在在硅硅膜膜片片上上，根根据据P P型型电电阻阻的的扩扩散散方方向向不不同同可可分分为为径径向向电电阻阻和和切切向向电电阻阻，如如图图 (b)(b)所所示示。扩扩散散电电阻阻的的长长边边平平行行于于膜膜片片半半径径时时为为径径向向电电阻阻R Rr r；垂垂直直于于膜膜片片半半径径时时为为切切向向电电阻阻R Rt t。当当圆圆形形硅硅膜膜片片半半径径比比P P型型电电阻阻的的几几何何尺尺寸寸大大得得多多时时，其其电电阻阻相相对对变变化化可分别表示如下：可分别表示如下：trlrttltRrRt（b）7/25/2024104 若若圆圆形形硅硅膜膜片片周周边边固固定定，在在均

42、均布布压压力力的的作作用用下下，当当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为：膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为： 式式中中r r、x x、h h膜膜片片的的有有效效半半径径、计计算算点点半半径径、厚度厚度（m m）；）；泊松系数，硅取泊松系数，硅取=0.35=0.35；P P压力（压力（PaPa）。）。7/25/2024105trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的应力分布图平膜片的应力分布图根据上两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。根据上两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。x x=0.635=0.635r r时时，r r=0=0

43、；x x0.63500，即为拉应力；，即为拉应力；x x0.6350.635r r时时，r r00，即为压应力。，即为压应力。x x=0.812=0.812r r时时，t t=0=0，仅有，仅有r r存在，且存在，且r r00，即为压应力。，即为压应力。00.517/25/2024106方案一方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应压阻效应在在001晶向的晶向的N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110与与110两晶向扩散四个两晶向扩散四个P型电阻条型电阻条xyz7/25/20241071101107/25/20241081、在、在110晶向：扩散两个径向晶向：扩散

44、两个径向P型电阻型电阻7/25/20241092、在在110晶向：扩散两个切向晶向：扩散两个切向P型型电阻电阻7/25/2024110所以所以：7/25/2024111r电阻变化与电阻变化与r的关系：的关系：7/25/2024112如：扩散在如：扩散在0.812r处，此时处，此时t=07/25/2024113方案二方案二：只利用纵向压阻效应只利用纵向压阻效应 在在110110晶向的晶向的N N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110110晶向晶向在在0.635r0.635r之内与之外各之内与之外各扩散两个扩散两个P P型电阻条，型电阻条，110110的横向为的横向为001001。110001R1R2

45、R3R47/25/2024114110方向方向余弦：方向方向余弦：001方向方向余弦：方向方向余弦：7/25/2024115由由于于在在0.6350.635r r半半径径之之内内r r为为正正值值，在在0.6350.635r r半半径径之之外外r r负值，内、外电阻值的变化率应为负值，内、外电阻值的变化率应为即可组成差动电桥。即可组成差动电桥。式中式中 、 内、外电阻所受径向应力的平均值内、外电阻所受径向应力的平均值内外电阻的相对变化。内外电阻的相对变化。设计时，适当安排电阻的位置，可以使得设计时，适当安排电阻的位置，可以使得:=于是有于是有7/25/20241161 1、恒压源供电、恒压源供

46、电 扩散电阻起始阻值都为扩散电阻起始阻值都为R R，当有应力作用时，两个电，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为R Rt t：R1+R1R2-R2UoutR3-R3R4+R4 五、测量桥路及温度补偿五、测量桥路及温度补偿7/25/2024117电桥输出为电桥输出为：当当R Rt t=0=0时时：vR Rt t00时，时，U Uoutout=f(t)=f(t)是非线性关系是非线性关系，恒压源供电不能，恒压源供电不能消除温度影响。消除温度影响。7/25/20241182 2、恒流源供电、恒流源供电R1+R1R2-R2Uo

47、utR3-R3R4+R4ABCD7/25/2024119 可可见见，电电桥桥输输出出与与电电阻阻变变化化成成正正比比，即即与与被被测测量量成成正正比比，与与恒恒流流源源电电流流成成正正比比，即即与与恒恒流流源源电电流流大大小小和和精精度度有有关关。但但与与温温度度无无关关，因因此此不不受受温温度度的的影影响响。但但是是，压压阻阻器器件件本本身身受受到到温温度度影影响响后后，要要产产生生零零点点温温度度漂漂移移和和灵灵敏敏度度温温度度漂漂移移，因因此必须采取温度补偿措施。此必须采取温度补偿措施。7/25/20241203. 3. 零点温度补偿零点温度补偿零点温度漂移是由于零点温度漂移是由于四个扩

48、散电阻的阻值及其温度四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图。一般用串、并联电阻法补偿，如图所示。其中，所示。其中，R RS S是串联电阻；是串联电阻；R RP P是并联电阻。是并联电阻。串联电阻串联电阻主要起调零作用主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用并联电阻主要起补偿作用。补偿原理。补偿原理如下：如下： R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi7/25/2024121由由于于零零点点漂漂移移，导导致致B B、D D两两点点电电位位不不等等，譬譬如如，当当温温度度升升高高时时，R R2 2的的增增加加比比较较大大，使使D

49、D点点电电位位低低于于B B点点，B B、D D两两点点的的电电位位差差即即为为零零位位漂漂移移。要要消消除除B B、D D两两点点的的电电位位差差，最最简简单单的的办办法法是是在在R R2 2上上并并联联一一个个温温度度系系数数为为负负、阻阻值值较较大大的的电电阻阻R RP P，用用来来约约束束R R2 2的的变变化化。这这样样，当当温温度度变变化化时时，可可减减小小B B、D D点点之之间间的的电电位位差差，以以达达到到补补偿偿的的目目的的。当当然然，如如在在R R3 3上上并并联联一一个个温温度度系系数数为为正正、阻阻值值较较大大的的电电阻阻进进行行补补偿偿，作用是一样的。作用是一样的。

50、R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi7/25/2024122下面给出计算下面给出计算R RS S、R RP P的方法。的方法。 设设R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4与与R R11、R R22、R R33、R R44为四为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，R RS S、R RP P与与R RS S、R RS S分别为分别为R RS S、R RP P在低温与高温下的欲求数值。在低温与高温下的欲求数值。 根据低温与高温下根据低温与高温下B B、D D两点的电位应该相等的条件，两点的电位应该相等的条件，得：得：设设R

51、RS S、R RP P的温度系数的温度系数、为已知，则得为已知，则得计算出计算出R RS S、R RP P后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，便可起到温度补偿的作用。便可起到温度补偿的作用。7/25/20241233 3、灵敏度温度漂移、灵敏度温度漂移v漂移的原因：压阻系数随温度变化引起漂移的原因：压阻系数随温度变化引起温度温度T44温度升高时，压阻系数变小温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的变大，说明传感器的灵敏度系数为负值灵敏度系数为负值。7/25/2024124补偿方法：改变电源流电压的方法补偿

52、方法：改变电源流电压的方法7/25/2024125 因为因为二极管二极管PNPN结的温度特性为负值，温度每升高结的温度特性为负值，温度每升高11时，时，正向压降约减小正向压降约减小(1.9(1.92.5)mV2.5)mV。将适当数量的二极管串联。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见图。电源采用恒压源，当温度升在电桥的电源回路中，见图。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的

53、。桥电源回路，便可以达到补偿的目的。 R4R2R1UoutR3方法方法2 2：串联正向二极管：串联正向二极管7/25/2024126压阻式传感器常用补偿方法压阻式传感器常用补偿方法硬件线路补偿硬件线路补偿软件补偿软件补偿专用补偿芯片补偿专用补偿芯片补偿 MCA7707MCA7707是一种采用是一种采用CMOSCMOS工艺的模拟传感工艺的模拟传感信号处理器。它通常被应用于于压阻式压信号处理器。它通常被应用于于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。力传感器的校正和温度补偿。7/25/2024127压阻式传感器的特点压阻式传感器的特点灵敏度高灵敏度高: :硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高硅应变电阻的灵

54、敏因子比金属应变片高5050100100倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。分辨率高分辨率高: :由于它是一种非机械结构传感器，因而由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。分辨率极高。 体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高: :由于芯体采用集成由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小工艺，又无传动部件，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，

55、使用有频率很高。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，使用带宽可频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至以从零频至100100千赫兹。千赫兹。温度误差大温度误差大: : 须温度补偿、恒温使用须温度补偿、恒温使用7/25/2024128 由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致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，性可做的很高，加之计算机自动补偿技术的进步，目前目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达达1010-5-5/数量级数量级, ,即在压力传感器领域已超过温即在压力传

56、感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。度系数小的应变式传感器的水平。7/25/2024129MPX4100A系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器 7/25/2024130应用三角翼表面压力测量应用三角翼表面压力测量7/25/2024131压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器l悬臂梁悬臂梁单晶硅衬底采用（单晶硅衬底采用（001）晶向，沿）晶向，沿110与与110晶向分别扩散二个晶向分别扩散二个(P型型)电阻条电阻条基座lbh110110vm：质量块的质量：质量块的质量(kg)vb,h：悬臂梁的宽度和厚度（：悬臂梁的宽度和厚度（m）vl：质量块的中心至悬臂梁根部的距：质量块的中心至悬臂

57、梁根部的距离（离（m）va：加速度：加速度(m/s2)生物医学应用实例呼吸气流传感器呼吸气流传感器弹性电阻应变式传感器弹性电阻应变式传感器肌肉力传感器肌肉力传感器心内导管压阻式压力传感器心内导管压阻式压力传感器针式压力传感器针式压力传感器 为了方便长期观察或监护，往往需要将一些微型压力传感器植入人体或动物体内，通过压力传感器和发射机将被测参数传输出来。这种微型传感器常常用压阻元件构成。植入式压力传感器植入式压力传感器7/25/2024134微机电系统的微细加工技术微机电系统的微细加工技术 微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度有关度与掺

58、杂浓度有关, ,对硅材料进行精细加工对硅材料进行精细加工, ,制作复制作复杂微小的敏感元件的技术。杂微小的敏感元件的技术。1) 1) 体型结构腐蚀加工体型结构腐蚀加工 体体型型结结构构腐腐蚀蚀加加工工常常用用化化学学腐腐蚀蚀（湿湿法法）和和离离子子刻刻蚀（干法）技术。蚀（干法）技术。2)2)表面腐蚀加工表面腐蚀加工牺牲层技术牺牲层技术 该该工工艺艺的的特特点点是是利利用用称称为为“牺牺牲牲层层”的的分分离离层层, ,形形成成各种悬式结构各种悬式结构。7/25/2024135 如图如图(a)(a)、(b)(b)所示所示, ,先在单晶硅的（先在单晶硅的（100100）晶面生长一层氧）晶面生长一层氧

59、化层作为光掩膜化层作为光掩膜, ,并在其上覆盖光刻胶形成图案并在其上覆盖光刻胶形成图案, ,再浸入氢氟酸再浸入氢氟酸中中, ,进行氧化层腐蚀。进行氧化层腐蚀。 然后将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺邻苯二酚然后将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺邻苯二酚水）对晶面进行纵向腐蚀水）对晶面进行纵向腐蚀, ,腐蚀出腔体的界面为（腐蚀出腔体的界面为（111111）面）面, ,与（与（100100）表面的夹角为）表面的夹角为54.7454.74, ,如图如图(c)(c)所示。所示。单晶硅立体结构的腐蚀加工过程单晶硅立体结构的腐蚀加工过程7/25/2024136在在N N型硅（型硅（100100）基底上

60、淀积一层）基底上淀积一层SiSi3 3N N4 4作为多晶硅的绝缘支撑作为多晶硅的绝缘支撑, ,并并刻出窗口刻出窗口, ,如图如图(a)(a)所示。利用局部氧化技术在窗口处生成一层所示。利用局部氧化技术在窗口处生成一层SiOSiO2 2作为牺牲层作为牺牲层, ,如图如图(b)(b)所示。所示。 在在SiOSiO2 2层层及及余余下下的的SiSi3 3N N4 4上上生生成成一一层层多多晶晶硅硅膜膜并并刻刻出出微微型型硅硅梁梁, ,如如图图(c)(c)所所示示。腐腐蚀蚀掉掉SiOSiO2 2层层形形成成空空腔腔, ,即即可可得得到到桥桥式式硅硅梁梁, ,如如图图(d)(d)所所示。另外示。另外, ,在腐蚀在腐蚀SiOSiO2 2层前先溅铝层前先溅铝, ,刻出铝压焊块刻出铝压焊块, ,以便引线。以便引线。表面腐蚀加工表面腐蚀加工牺牲层技术形成硅梁过程牺牲层技术形成硅梁过程7/25/20241377/25/2024138作业调研电阻式传感器在生物医学工程中的应用实例 要求：每人PPT讲解8-10分钟