压阻式传感器分析

第二节 压阻式传感器
• 2.2.1 半导体的压阻效应 • 2.2.2 体型半导体应变片 • 2.2.3 扩散型压阻式压力传感器 • 2.2.4 压阻式加速度传感器 • 2.2.5 测量桥路及温度补偿
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2.2.1
半导体的压阻效应
单晶半导体材料在受到作用力后，电阻率就要 发生变化，这种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 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。
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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。
3p r 2 [(1 )r02 (3 )r 2 ] 8h 3p t 2 [(1 )r02 (1 3 )r 2 ] 8h
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2.2.2
1.
2.
体型半导体电阻应变片
结构型式及特点 测量电路
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1. 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
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2. 测量电路

恒压源
U 0 UR /( R Rt )
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。

恒流源
U 0 I R
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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2.2.3 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
H≥2D+L 空心圆柱 H≥D—d+L
F=100*103N
K=2mm/V
柱式力传感器结构
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重）
各种平行双孔梁
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重） 各 种 形 式 梁
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重） 梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力

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2.2.4 压阻式加速度传感器

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 。
扩散电阻
基座
a
质量块 应变梁
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Hale Waihona Puke Baidu
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2.2.5 测量桥路及温度补偿

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 准确性。 减少与补偿误差措施
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
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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。
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对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
R l E l R
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
K
R / R

lE
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
P
0.58
R1 R2 R3 R4
h
径 向 应 变
r
0
切向应变
r
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器
④ 膜片式压力传感器
膜片式压力传感器应力分布
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器 ⑤应变式加速度传感器
基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外
壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块， 壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。 当壳体与被测物体一起 a 壳体 作加速度运动时，悬臂梁在 质量块的惯性作用下作反方 充满硅油 m R1 向运动，使梁体发生形变， R2 粘贴在梁上的应变片阻值发 生变化。通过测量阻值的变 机座 F 化求出待测物体的加速度。
（a）双孔梁
（b）S形
第2章 应变式传感器
③ 轮辐式测力传感器（剪切力）
传感器原理及应用
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重） 轮辐式传感器结构主要由五个部分组成， 轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器
④ 膜片式压力传感器
圆形金属膜片
R4
U
Rs R3
零位温漂 灵敏度温漂
U0
串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用
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第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用
桥梁固有频率测量电路
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用
第2章 应变式传感器
应变式传感器的应用 （3）力传感器（测力与秤重）
试验研究结果建议选用以下公式：
实心圆柱

1. 恒流源供电电桥
2. 零点温度补偿
3. 灵敏度温度补偿
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1. 恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化 对等臂电桥 电桥的输出为
U 0 U BD 1 1 I ( R R RT ) I ( R R RT ) 2 2 IR
I ABC I ADC 1 I 2
恒流源供电的全桥差动电路
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。
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2.温度漂移及其补偿
温度变化时，将引起零漂和灵敏度漂移
VD
Rp
R1 R2
零
漂
扩散电阻值随温度变化 压阻系数随温度变化 串、并联电阻 串联二极管（负温度特性）
灵敏度漂移
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压阻效应
R (1 ) R
金属材料 半导体电阻率

半导体材料
l l

＝ l l E
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。
R (1 l E ) R