压阻式传感器

压阻式传感器1.半导体的压阻效应2.体型半导体应变片3.扩散型压阻式压力传感器4.压阻式加速度传感器5.压阻式传感器的测量电路6.压阻式传感器的应用1.半导体的压阻效应固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻率将发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。1.1压阻效应金属材料半导体材料llEell＝半导体电阻率πl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。)1(RR)1(ERRl对半导体材料而言，πlE(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略llERR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ρ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ERRKl/半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。1.2压敏电阻分类2.体型半导体电阻应变片这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体应变片可分为6种。①普通型:它适合于一般应力测量；②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧）,可接成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。⑤超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；⑥P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。2.1结构型式及特点主要优点•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半导体应变片的结构形式1-P型单晶硅条2-内引线3-焊接电极4-外引线2.2测量电路恒压源恒流源)/(0tRRRUURIU0电桥输出电压与ΔR/R成正比，输出电压受环境温度的影响。电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等，给使用带来一定困难。2.3半导体应变片的优缺点3.扩散型压阻式压力传感器在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装）薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。3.1结构类型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，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：按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。])31()1[(83])3()1[(8322022202rrhprrhptr设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。3.2扩散型压阻式压力传感器特点优点：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，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。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。4.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。扩散电阻质量块基座应变梁a5.1压阻式传感器的测量电路（1）恒压源供电假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，两个电阻的阻值增加，增加量为DR，两个电阻的阻值减小，减小量为-DR；另外由于温度影响，使每个电阻都有DRT的变化量。根据图，电桥的输出为整理后得TTTTTTRRRRRRRRRURRRRRRRRRUUU)()(BDscTRRRUUscR-R+RTR+R+RTR+R+RTR+R+RTUUscABCD5.压阻式传感器的测量电路如RT=0，即没有温度影响，则此式说明电桥输出与R/R成正比，即与被测量成正比；同时又与U成正比，表明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，也就是说与温度有关，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sc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，当然也与电源电流成正比，即输出与恒流源的供给电流大小与精度有关，不受温度影响，这是恒流源供电的优点。TRRRR2ADCABCIII21ADCABC)(21)(21BDSCTTRRRIRRRIUURIUscUUscR+R+RTR-R+RTABCDIR+R+RTR-R+RT（2）恒流源供电1.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或杂质浓度发生偏差。导致各电阻值和温度系数互不相等，造成电桥的不平衡，电桥的输出特性就会受到温度影响。57861432123456Usc785.2减小在扩散工艺中的温度影响2.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，按图中方式连成电阻桥。这样，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。6.压阻式传感器的应用由于具有频响高、体积小、精度高、测量电路与传感器一体化等特点，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。（a）：注射针型压阻式压力传感器（b）：内心导管中的压阻式压力传感器（c）：脑压传感器2.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。压阻式加速度计作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测和确定，比机械式传感器精确和节省费用。在航运上，测量水的流速，以及测量输水管道，天然气管道内的流速等。