第八章压阻式传感器

压阻式传感器的应用·§§§§§压阻式传感器：是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。压阻效应：固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。分类:粘贴型压阻式传感器：传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片。扩散型压阻式传感器：传感元件是利用集成电路，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。X压阻式传感器压阻式传感器的工作原理任何材料电阻的变化率都由下式决定对金属，∆ρ/ρ较小，而Δl/l、Δs/s较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要是由Δl/l、Δs/s两项引起，这就是金属应变片的基本工作原理。对半导体，Δl/l、Δs/s两项很小，即尺寸的变化率很小，∆ρ/ρ一项较大，也就是电阻率变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由∆ρ/ρ一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。ssllRRX为压阻系数，s-----应力，再引进横向变形的关系，则电阻的相对变化率可写成式中k——灵敏系数；μ----为泊松系数，ε---应变E----弹性模量。pspppskEEllllRR)21()21(2p21EkX对金属，πE可忽略不计，而泊松系数μ=0.25～0.5，故近似地有；对半导体，1+2μ可忽略不计，而压阻系数π=（40～80）×10-11Pa，弹性模量E=1.67×1011Pa，故式中ky——半导体材料的灵敏系数。结论：半导体材料电阻变化率ΔR/R主要是由Δ/引起的，这就是半导体的压阻效应。当力作用于硅晶体时，晶格产生变形，载流子的迁移率发生变化，使硅的电阻率发生变化。电阻变化率随硅晶体的取向不同而不同，即：硅的压阻效应与晶体的取向有关。2~121kkEky100~50pXp21Ek晶向、晶面、晶面族分别为、（）、{}晶向、晶面、晶面族分别为111、（111）、{111}晶向、晶面、晶面族分别为100、（100）、{100}XXXYYYZZZ111-2-2B4ACDEFG(a)(b)(c)122122122X晶向的表示方法对于同一个单晶硅晶体，不同晶面上原子分布不同、所表现的物理性质不同，压阻效应也不同。硅压阻传感器的硅芯片选择：压阻效应最大的晶向来布置电阻条。常用的晶向为001、011、111三个晶向。通常在这三个晶向上扩散电阻有最大压阻系数。X压阻系数应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。电阻的相对变化与应力的关系：式中sl——纵向应力；st——横向应力；ss——与纵向应力和横向应力垂直的应力。pl——纵向压阻系数；pt——横向压阻系数；ps——与纵向和横向垂直的压阻系数。ss比st、sl小很多，一般略去。pl表示应力作用方向与通过压阻元件的电流方向一致，pt表示应力作用的方向与通过压阻元件的电流方向垂直。ssttllspspspRRX当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为在此情况下，式中的pl、pt值可用p11、p12、p44表示为式中p11、p12、p44——分别为压阻元件的纵向、横向及剪切向压阻系数，是硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。l1、m1、n1——分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦；l2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；ttllspspRR21212121212144121111l2nmlnmlppppp22212221222144121112tnnmmllpppppX单晶硅的晶面虽然很多，但是制作压力传感器，总是在某一晶面上选择两个互相垂直的晶向作为坐标轴，也就是说，扩散电阻要么垂直于X轴，要么垂直于Y轴，。实验证明，在（100）晶面上有最大的压阻系数，对于P型硅来讲，其最大压阻系数为：p1=∣pt∣≤p44/2P型硅纵横向压阻系数其绝对值相等。对于N型硅来讲，其最大压阻系数为：N型硅纵横向压阻系数大小相等。R1R2Y(r,s,t)X(h,k,l)11tl41pppX．扩散电阻条值及位置的确定在001晶向的N型圆形硅膜片上，沿011与二晶向利用扩散的方法扩散出四个P型电阻。ttlrttllrpspspspsRRRr扩散电阻条001011-011trltttlltpspspspsRRX二个径向电阻变化率：二个衡向电阻变化率：在晶向，纵向和横向压阻分别系数为在011晶向，纵向和横向压阻系数为11044441211l2121ppppp44441211t2121ppppp44441211l2121ppppp44441211t2121pppppp1832244rhprRRp1832244thprRRX的关系曲线，如图所示。r愈大时，与的数值愈大，所以最好将四个扩散电阻放在膜片有效面积边缘处，可获得较高的灵敏度。rRRtrRRRRrRRtRRtRRX纵向和横向的电阻变化率是大小相同的。．两种常用的压阻式压力传感器的设计方法设计方案一：这种设计方法是将四个电阻沿二晶向扩散在rI=0.812r处。这时因st=0，只有sr存在，得到这种方法设计的电阻相对变化率的数值显然要小于边沿扩散的类型，大约为1/3左右。lrrpsRRtrtpsRRr44r21spRRr44t21spRRX设计方案二：同理在r=0.635R处，sr=0，只有st存在，其电阻的相对变化率的计算表达式与r=0.812R时相同，只不过表达式中的sr换为st（r=0.635R的切向应力，因为在这一点径向应力为零）。X在压阻式压力传感器设计中，为了得到较好的输出线性度，扩散电阻上所受的应变不应过大，这可用限制硅膜片上最大应变不超过400～500×10-6来保证。圆形平膜片上各点的应变可用下列二式来计算膜片边缘处切向应变等于零，径向应变为最大，也就是说膜片上最大应变发生在边缘处。所以设计中，膜片边缘处不应超过400～500×10-6。设计扩散电阻条时，为获得较高灵敏度，要尽量靠近边缘。根据这一要求，令膜片边缘处的径向应变等于400～500×10-6，满量程应力p已知时，利用式径向应变公式就可求出硅膜片的厚度h。)3)(1(832222rraEhp))(1(832222traEhpX压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁，如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，使四个电阻阻值发生变化。X压阻式传感器的测量电路及补偿测量电路通常是采用惠斯登电桥，电桥的电源既可采用恒压源供电、恒流源供电，下面分别讨论。8.6.1恒压源供电假设四个扩散电阻的起始阻值都相等，为R。当有应力作用时，两个电阻的阻值增加，增加量为R，两个电阻的阻值减小，减小量为-R；另外由于温度影响，使每个电阻都有RT的变化量。电桥的输出：整理后得TTTTTTRRRRRRRRRURRRRRRRRRUUU)()(BDscTRRRUUscR-R+RTR+R+RTR+R+RTR+R+RTUUscABCDX如∆RT=0，即没有温度影响，则说明：电桥输出与R/R成正比，也就是与被测量成正比；电桥输出与U成正比，这就是说电桥的输出与电源电压的大小与精度都有关。如RT≠0时，则Usc与RT有关，而且与温度的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。RRUUscX恒流源供电假设电桥两个支路的电阻相等，即故有因此电桥的输出为整理后得电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比；电桥的输出与电源电流成正比，即输出与恒流源的供给电流大小与精度有关，电桥的输出不受温度影响，这是恒流源供电的优点。使用恒流源供电时，最好一个传感器配备一个恒流源。TRRRR2ADCABCIII21ADCABC)(21)(21BDSCTTRRRIRRRIUURIUscUUscR+R+RTR-R+RTABCDIR+R+RTR-R+RTX将四个电桥电阻尽量集中于一个小的范围在扩散电阻形成的工艺过程中，光刻、扩散等工艺会引起电阻条宽度、杂质浓度发生偏差。这就导致各电阻值和温度系数不相等，造成电桥的不平衡,电桥的输出特性就会受到温度的影响。X57861432123456Usc78采用复合电阻条减少温度影响如图所示，在（100）面上配置了8个电阻条，相互对它们自己中心对称，连成电阻桥。电桥的每一臂都由对中心点对称的两个电阻构成复合电阻，即1和2，3和4，5和6，7和8。使得电桥每一臂电阻值和温度系数都可做得很接近。所以电桥零点不随温度变化，也没有零点漂移，表现出良好的温度特性。X57861432123456Usc78压阻式传感器的应用特点：频响高、体积小、精度高、测量电路与传感器一体化等特点。应用：压阻式传感器相当广泛地应用在航天、航空、航海、石油、化工、动力机械、生物医学、气象、地质地震测量等各个领域。1.生物医学上的应用小尺寸，高输出和稳定可靠的性能，使得压阻式传感器成为生物医学上理想的测试手段。214323415867p1342X爆炸压力和冲击波的测量在爆炸压力和冲击波的测试中，广泛应用压阻式压力传感器。3.汽车上的应用用硅压阻式传感器与电子计算机配合可监测和控制汽车发动机的性能，以达到节能目的。此外还可用来测量汽车启动和刹车时的加速度。4.兵器上的应用由于固有频率高，动态响应快，体积小等特点，压阻式压力传感器适合测量枪炮膛内的压力。测量时，传感器安装在枪炮的身管上或装在药筒底部。另外，压阻式传感器也用来测试武器发射时产生的冲击波。此外，在石油工业中，硅压阻式压力传感器用来测量油井压力，以便分析油层情况。压阻式加速度计做为随钻测向测位系统的敏感元件，用于石油勘探和开发。在机械工业中，可用来测量冷冻机、空调机、空气压缩机、燃气涡轮发动机等气流流速，监测机器的工作状态。在邮电系统中，用作地面和地下密封电缆故障点的检