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1、第二节 压阻式传感器7.2.1 半导体的压阻效应7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 (1) 体型半导体应变片(2) 扩散型压阻式压力传感器(3) 测量桥路及温度补偿7.2.3 压阻式传感器的应用下一页返 回7.2.1 7.2.1 半半导体的体的压阻效阻效应 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。半导体材料的压阻效应特别强。 压压阻阻式式传传感感器器的的灵灵敏敏系系数数大大，分分辨辨率率高高。频频率率响响应应高高，体体积积小小。它它主主要要用用于于测测量量压压力力、加加速速度和载荷等参
2、数。度和载荷等参数。因因为为半半导导体体材材料料对对温温度度很很敏敏感感，因因此此压压阻阻式式传传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。上一页返 回下一页压阻效应压阻效应 金属材料 半导体材料 半导体电阻率 l为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。 上一页返 回下一页对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的
3、增加而减小上一页返 回下一页7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路压阻式压力传感器原理和电路(1) 体型半导体应变片(2) 扩散型压阻式压力传感器(3) 测量桥路及温度补偿上一页返 回下一页（1 1）体型半）体型半导体体电阻阻应变片片 l1.1. 结构型式及特点结构型式及特点 l2. 2. 测量电路测量电路 1. 结构型式及特点结构型式及特点 主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 上一页返 回下一页体型半导体应变片的结构形式 l1-P型单晶硅条 l2-内引线l3-焊接电极l4-外引线对于恒压源电桥电路，考虑到环境
4、温度变化的影响，其关系式为：2. 测量电路测量电路 l恒压源恒压源l恒流源恒流源电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响。R为应变片阻值， R为应变片阻值变化， Rt为环境温度变化受环境温度引起阻值的变化电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。上一页返 回下一页（2） 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构简图1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 上一页返 回下一页工作原理：工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，
5、阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定。 设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 上一页返 回下一页扩散型压阻式压力传感器 特点l优点优点: 体积小，结构比较简单，动态响应体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。应高，便于生产，成本低。l测量准确度受到非线性和温度的影响。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻
6、式压力传感器利用微处理器对智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。非线性和温度进行补偿。 上一页返 回下一页（3） 测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿l由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。准确性。l减少与补偿误差措施减少与补偿误差措施 1. 测量电桥测量电桥 2. 零点温度补偿零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿上一页返 回下一页1. 测量电桥测量电桥恒流源供电的全桥差动电路 假设RT为温度引起的电阻变化 电桥
7、的输出为电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。上一页返 回下一页2.2.温度温度漂移漂移及其补偿及其补偿上一页返 回UR1R2R4R3U0RsRpVD温度变化而变化，将引起零漂零漂和灵敏度漂移灵敏度漂移 零 漂 扩散电阻值随温度变化灵敏度漂移 压阻系数随温度变化零 位 温 漂 串、并联电阻灵敏度温漂 串联二极管串联电阻Rs起调零作用并联电阻RP起补偿作用 3 . 灵敏度温度补偿补偿灵敏度漂移原理：补偿灵敏度漂移原理： 温度升高时，灵敏度降低，这时如果提温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高电源电压，使电桥输出适当增大，便高电源电压，使电桥输出适
8、当增大，便可达到补偿目的。可达到补偿目的。 温度升高时，二极管压降降低，可使电温度升高时，二极管压降降低，可使电桥电源电压提高，关键是适当选择串联桥电源电压提高，关键是适当选择串联二极管的个数。二极管的个数。7.2.3 压阻式传感器的应用压阻式传感器的应用l1. 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器l2. 差频压阻式压力传感器差频压阻式压力传感器l3. 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器1. 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片在膜片位移量远小于膜片的厚度时，受均匀压力的圆形硅膜片上各点的径向应力 和切向应力 ,可分别用下
9、式计算: 优点：l扩散型压阻式压力传感器的主要优点就扩散型压阻式压力传感器的主要优点就是体积小、结构简单，动态相应好，灵是体积小、结构简单，动态相应好，灵敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高，敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高，性能稳定，成本低，便于批量生产。性能稳定，成本低，便于批量生产。 2.差频压阻式压力传感器差频压阻式压力传感器差频压阻式压力传感器工作原理图 （a）分布阻容网络； （b）相移振荡器； （c）差频振荡压阻 式压力传感器组合独立的相移正弦振荡器振荡频率为： 压力的变化 ：l在实际应用中，为了提高传感器的灵敏在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服零点漂移，一般都采用差频输度和克服零点漂移，一般都采用差频输出的形式。也就是在选择适当的晶向和出的形式。也就是在选择适当的晶向和扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器并连接宽带放大器和频率综合器，将其并连接宽带放大器和频率综合器，将其组合在一起构成差频压阻式压力传感器，组合在一起构成差频压阻式压力传感器， 3 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 l它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面扩散在其根部两面 。扩散电阻质量块基座应变梁a上一页返 回下一页
