第2章 电阻式传感器大学ppt课件

第2章 电阻式传感器 主讲：张 坤 第2章 电阻式传感器 第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将非电量的变化量，变换成与 之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的 测量达到对上述非电量测量的目的。 电阻式传感器主要分为：应变式电阻传感器（ 金属、半导体）和电位计（器）式电阻传感器以及 热敏式电阻传感器、光敏式电阻传感器、磁敏式电 阻传感器、气敏式电阻传感器等。 前两种属于力敏传感器。 2.1 金属电阻应变式传感器 2.2 半导体应变片及压阻式传感器 第2章 电阻式传感器 2.1 金属电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是目前最广泛用于测量力、压力、位移、 应变、扭矩、加速度、重量等参数的传感器之一。 它具有悠久的历史，但新型应变片仍在不断出现。主要用于 测量变化量相对较小的情况，其灵敏度较高。 v 工作原理：基于材料的应变效应。 一、应变效应 二、电阻应变片的工作原理 三、电阻应变片的结构 四、测量电路 五、电阻应变式传感器的应用 第2章 电阻式传感器 一、应变效应 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变 形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象 称为“应变效应”。 导体或半导体的电阻 导体或半导体在受外力作用时会产生 机械变形，从而使电阻率、 长度 l 和截面积 S 这三者都发生变化，所 以会引起电阻的变化。通过测量阻值的变化，就可以反映外界作用力的 大小。 当受到拉力 F 作用时，将伸长l ，横截面积相应减小S ，电阻率将 因晶格发生变形等因素而改变，故引起电阻值相对变化量为 第2章 电阻式传感器 n式中，l/l =为金属导体电阻丝的轴向应变， n由于S = d 2 /4，则S / S = 2 d / d, 其中d / d 为径向应变； n且由材料力学知， d / d = ，式中为金属 材料的泊松比。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化 ，即（1+2）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即 / / 。 应变灵敏系数： 第2章 电阻式传感器 对于金属材料， / 较小，可以略去；且 = 0.20.4（弹性范围）， K 1+2 = 1.41.8 ，实际测得K 2.0，说明 / / 项对 K 还是有一定影 响。 一般情况下，在应变极限内（弹性范围） ，金属材料电阻的相对变化 与轴向应变成正比 第2章 电阻式传感器 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，粘贴在被测对象 上的应变片随其发生相同的机械变形，同时，应变片电阻也发生相 应变化。当测得应变片电阻值变化量R 时，便可得到被测对象的 应变值，根据应力和应变的关系，得到应力值 式中 试件的应力； 试件的应变； E试件材料的弹性模量（kg / mm2）。 由此可知，应力值正比于应变，而试件应变又正比于电阻 值的变化R ，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片 测量应变的基本原理。 外力变形应力应变电阻值变化电压变化 二、电阻应变片的工作原理 第2章 电阻式传感器 三、金属电阻应变片的结构 q 基本结构 金属电阻应变片种类繁多，但其基本结构大体相似，现以金 属丝绕式应变片结构为例加以说明。 将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它们变成 一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。 1基底 2敏感栅 3覆盖层 4引线，用以和外接导线连接 L敏感栅长度 b敏感栅的宽度 第2章 电阻式传感器 敏感栅是应变片最重要的组成部分根据敏感栅形状和制造工艺的不 同，金属应变片主要分为丝式、箔式和膜式三种类型。它们根据需要可 以制作成各种形状。 （1）丝式应变片： 丝式应变片有回线式和短接式两种。丝式应变片制作简单、性能稳 定、成本低、易粘贴。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较 大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大 510倍的 镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。缺点是焊点多，在冲击或 振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。目前大都采用箔 式应变片。 a) 回线式丝式应变片 b) 短接式丝式应变片 1. 敏感栅 第2章 电阻式传感器 箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为 0.003 0.01 mm的金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅。有时称为应变花 。 （2）箔式应变片： 第2章 电阻式传感器 优点： 制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形状 ，其栅长可做到0.2mm； 敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好； 散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度； 横向效应小； 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势。 （3）金属薄膜应变片 金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空淀积等方法，在薄的绝缘基片上 形成厚度在 0.1 mm 以下各种形状的金属材料薄膜敏感栅。 它的优点是应变灵敏系数大，允许工作电流密度大，工作温度范围宽 ，可达197317。 第2章 电阻式传感器 2. 基底和盖片 基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且 有绝缘作用。一般为厚度0.020.05mm的环氧树脂，酚醛树脂等胶基材料 。对基底和盖片材料的性能要求：机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电 绝缘性好；热稳定性和高温性好；无滞后和蠕变。 3. 引线 作用：连接敏感栅和外接导线。 一般采用 = 0.050.1 mm 的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铬铅丝等 ，与敏感栅点焊相接。 4. 黏结剂 作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用金 属电阻应变片时，也需用黏结剂将应变片粘贴在试件表面某一方向和位置 上，以便感受试件的应变。 黏结剂材料：有机和无机两大类。 第2章 电阻式传感器 四、测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小 电阻值的变化测量出来，同时要把电阻相对变化转换为电 压或电流的变化，因此需要设计专用的测量电路。 用于测量电阻变化最常用的测量电路是电桥电路。 电桥电路通常有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路 的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。 1. 直流电桥 2. 交流电桥 第2章 电阻式传感器 1. 直流电桥 (1)平衡条件 直流电桥的基本形式如图所示。R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，RL 为其负载（可以是测量仪表内阻、放大器输入阻抗或其它负载）。 当RL 时，电桥的输出电压 Uo 应为 当电桥平衡时，Uo = 0， Io = 0由上式可得到 或 称为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等 ，（对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等），此时流过负载电阻的电 流为0。 第2章 电阻式传感器 (2)电压灵敏度 A. 单臂电桥： 如果在实际测量中，使第一桥臂 R1 由应变片来替代，微小应变引起微 小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器 放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时仍视 电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R1 ，其它桥臂固定 不变，则电桥输出电压 Uo0。 设桥臂比 电桥电压灵敏度定义为 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵 敏度愈高。但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般 供桥电压应适当选择（36V）。 E（供桥电压） 第2章 电阻式传感器 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值 n 的函数，因此必须恰当地选择桥 臂比 n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当 n = 1 ，（R1 = R2 ，R3 = R4），电桥电压灵敏度最大。 此时电桥电压灵敏度 当电源电压 E 和电阻相对变化率 一定时，电桥的输出电压及其 灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。 此时非线性误差较大，减小或消除非线性误差的方法有如下几种： v 采用差动电桥 v 提高桥臂比 v 采用高内阻的恒流源电桥 第2章 电阻式传感器 B.半桥差动： 根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉， 一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接 入电桥的相邻臂上。称为半桥差动电路。 半桥差动电路 若R1 =R2 ，（R =R1R2 = 2R1）， R1 = R2 ，R3 = R4， 则得 半桥差动电路由上式可知，Uo与 成线性关系，此时电桥电压灵敏度 半桥差动电桥的灵敏度比使用一只应变片的单臂电桥提高了一倍，同 时可以起到温度补偿的作用，线性误差大大减小。 第2章 电阻式传感器 C. 全桥差动： 为进一步提高电压灵敏度或进行温度补偿，可采用全桥差动电路。将 电桥四臂接入四片应变片。两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的 接入相对臂上，构成全桥差动电路。若满足 R1 = R2 =R3 =R4，R1 = R2 = R3 = R4 则输出电压为 全桥差动电桥 此时电桥电压灵敏度 全桥差动的灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍。 还可抑制干扰信号，因为四臂或相邻两臂同时有 某一增量，对全桥差动电桥电桥输出无影响。 第2章 电阻式传感器 （3）减小或消除非线性误差的其它方法 提高桥臂比： 提高桥臂比，非线性误差可以减小；但从电压灵敏度考虑，电桥电压 灵敏度将降低，这是一种矛盾，因此，为了达到既减小非线性误差，又不 降低其灵敏度，必须适当提高供桥电压 E。 采用高内阻的恒流源电桥： 通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。 所以供给半导体应变电桥的电源一般采用恒流源，如图所示。供桥电流为 I ，通过各臂的电流为 I1 和 I2，若测量电路输入阻抗较高，则 输出电压为 若电桥初始处于平衡状态（R1R4 = R2R3），而且R1 = R2 = R3 = R4 = R，当第一桥臂电阻R1变为R1R1时，电桥 输出电压为 比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了50%。 第2章 电阻式传感器 2. 交流电桥 (1)交流电桥平衡条件 应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器 。 采用直流电桥的优点是高稳定性电源易于获 得，电桥平衡的调节简单，连接导线分布参数影 响小。但输出电压需采用直流放大器，易于产生 零点漂移，因此目前也常用交流电桥。 交流电桥采用交流放大器、供桥电源为交流 电源，交流电桥连接导线分布参数影响、平衡调 节、信号放大电路等均与直流电桥有明显不同。 连接导线分布电容（忽略引线电感）使得桥 臂的四只应变片均呈现复阻抗特性，即相当于四 只应变片各并联了一只电容。但分析电桥平衡和 输出电压方法仍与直流电桥相同。故输出电压为 第2章 电阻式传感器 设各桥臂阻抗为 式中 r1 r2 和 x1 x2 分别为各桥臂的电阻和电抗；z1 z4 和1 4 为各 复阻抗的模值和幅角，由此可得到交流电桥的平衡条件的另一形式为 式中Z1，Z2，Z3，Z4为电阻、电感、电容任意组合的复阻抗。桥路平衡条 件为 或 第2章 电阻式传感器 (2)交流电桥的调平方法 利用交流电桥测量应变时，由于引线产生的分布电容的容 抗（引线电感忽略），供桥电源 的频率以及被测应变片的性 能差异，将严重地影响着交流电桥的初始平衡条件和输出特性 ，因此必须对电桥预调平衡。 由于式 中的Z 阻抗应包括电阻和电容等参数， 此处交流电桥的平衡，应包含着电阻和电容两个平衡条件，因 此，交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整的方法实现。 或 第2章 电阻式传感器 C3 和 C4 为差动电容，调节 C3 和 C4 时，由于两个电容的变化量大小相 等，方向相反，可使桥路平衡。 （）阻容调平法：图(d) 。 该电桥接入了“ T ”形 RC 阻容电路，可通过交替调节电容、电阻使电 桥达到平衡状态。 电阻调平法 （）串联电阻法：图(a)。 （）并联电阻法：图(b)。 并联电阻调平法，通过调节电阻 R5 改变AD和CD的阻值比，使电桥满足平 衡条件。电阻 R6 决定可调范围， R6 越 小，可调范围越大，但测量误差也越 大。R5，R6 通常取相同阻值。 电容调平法 （）差动电容法：图(c) 。 第2章 电阻式传感器 (3)交流电桥不平衡状态 单臂交流电桥 其输出电压为 差动交流电桥（半桥差动电路） 其输出电压为 双差动交流电桥(全桥差动电路) 其输出电压为 与直流电桥一样，全桥差动电路的电压灵敏度是单臂 的四倍，半桥差动的两倍。 第2章 电阻式传感器 五、电阻应变式传感器的应用 q 直接用来测量结构的应力或应变 电阻应变片可直接粘贴在被测量的受力构件上，测量应力、应变。 而测量其它被测量（如力、压力、加速度等），就需要先将这些被测量 转换成应变，完成这种转换的元件称为弹性敏感元件。 由弹性敏感元件和应变片，以及一些附件便组成各种电阻应变式传 感器。 第2章 电阻式传感器 q 将应变片贴于弹性敏感元件上，组成测量力、位移、压 力、加速度等物理参数的传感器 第2章 电阻式传感器 电阻应变式力传感器 1柱（筒）式力传感器 弹性敏感元件为实心或空心的柱体，当 柱体轴向受拉（压）力F 作用时，在弹性范 围内，应力 与应变 成正比关系 = E 地磅称一般采用柱式力传感器。 2. 悬臂梁式力传感器 特点：结构简单、加工比较容易，应 变片粘贴方便，灵敏度较高。 用途：小量限测力。 (1) 等截面悬臂梁 当力F作用在悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面 对称位置上应变大小相等，极性相反，若分别粘贴应变片R1、R4 和R2、 R3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。 第2章 电阻式传感器 (2) 等强度悬臂梁 应力不随应变片粘贴位置变化，即截面上 的应力与x无关，任何截面上的应力都相等。 (3) 特殊悬臂梁 （a）双孔梁：多用于小量程电子称； （b）单孔梁： （c）（d）S型梁：适于较小载荷。 第2章 电阻式传感器 应变传感器在衡器中的应用 用于衡器的传感器一般有电阻应变片、弹性金属结构传感器等。自 从1983年将电阻应变片用于商用计价秤后，已逐渐取代传统的机械式案 秤和光栅式码盘秤。这种电阻应变式计价秤的称重误差已可做到小于满 量程的0.02。 下面介绍用电阻应变片的电子秤 结构、工作原理和有关电路。 采用 S 形双弯曲悬梁应变测力传 感器，和单片机相结合构成数字式电 子秤的核心，可具有零点跟踪、非线 性校正、精度选择、称重、去皮重、 累计、显示、打印等多种功能。 第2章 电阻式传感器 双圆孔悬臂梁式承压传感器 传感器弹性体为双弯曲梁，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面 上，组成全桥电路。当载荷 W 作用时，R1，R3 受拉伸。阻值增加，R2， R4 受压缩，阻值减小，电桥失去平衡，产生电压输出，且与 W成正比。 传感器的灵敏度为 第2章 电阻式传感器 S 形双弯曲梁应变式测力传感器有以下特点： （1）输出灵敏度高。由于结构是双连孔形的，粘贴应变片处较薄，应变 大；而其它部位较厚，强度好。 在传感器上装 配上、下承压板， 变成了S 形状。 （3）抗侧向力强。 倘若增加一个侧向力，对于中间梁而言，只增加了一对轴向力，则四个应变 片将同时增、减，故对输出无影响。 （4）由于该秤只用一个测力传感器，结构简单、精度高、量程宽、工作可靠。 （2）变化加载点不影响输出，输出只与应变片 基长a（常数）有关，而与重物加载点 x 无关。 第2章 电阻式传感器 (a)小数点显示电路 (b)手提电子称电路图 A1、A2 ：对称的同向放大器。ICL7106：是 Maixm 公司产3 1/2 位A/D转换器 。可直接驱动七段数字显示表，输入模拟量，然后显示（LCD/LED）。 第2章 电阻式传感器 3薄壁圆环式力传感器 4轮辐式力传感器 特点：在外力作用下，各点的应力差别较大。 特点：刚性比较大，同时利用 它的对称性，能够比较好地防 止横向力的影响。 第2章 电阻式传感器 5轴剪切力传感器（应 变片式扭矩传感器） 主要用于扭矩测量，扭转 轴发生如图所示扭转时，在相 对于轴中心线45度方向上会产 生压缩及拉伸力，从而将力加 在旋转轴上。如果在扭转轴的 表面贴上四个电阻应变片组成 桥式电路， R1 、R3受拉应力， R2、 R4受压应力，便可检测出 压缩及拉伸力，即可测出扭矩 的大小。 为了给旋转的应变片输入电压和从电桥中取出检测信号，在扭转轴 上安装有集流环和电刷。 第2章 电阻式传感器 电阻应变式压力传感器 1筒式压力传感器 弹性元件为一具有盲孔的圆筒，当被 测流体压力 P 作用于筒体内壁时，圆筒部 分发生变形，沿圆筒周向粘贴的应变片产 生正应变。 用于管道及枪（炮）管内压力测量。 2膜片式压力传感器 一个周边固定的圆形金属膜片，在压力P 的 作用下将产生弯曲变形，在膜片正应变区中心处 沿切向贴两片应变片R2、R3，在负应变区边缘处 沿径向贴两片应变片R1、 R4 ，接成全桥差动线路 。 特点：结构简单、使用可靠。 第2章 电阻式传感器 右图为恒压源供电全桥 差动直流电桥典型电路 基本应用平面膜片式压力计 A1、A2、A3、A4为运放 OP07， A1、A2 （同向 放大器） 、A3 （差值 放大器）组成同相输入 并串联差动放大器（三 运放仪器放大器），放 大倍数 A4构成电压跟随器（对电位器的输出电压进行阻抗变换），通过调整正 输入端电位器，从而调整A4 输出端电压，与A2 的输出相加，加到A3 同相 输入端，使压力传感器压力为零时，电路输出端电压也为零，即对电路 进行调零。 第2章 电阻式传感器 3组合式压力传感器 利用几种弹性元件组合而成。 图（a）：感压元件为膜片，由压力产生的位移被传递给贴有应变片 的悬臂梁； 图（b）：感压元件为波纹管，位移传给双端梁； 图（c）：感压元件为双重曲线膜片，其位移使薄壁圆筒变形，筒外 壁上绕有应变丝（或贴应变片）。 第2章 电阻式传感器 电阻应变式加速度传感器 1-质量块；2-应变粱；3-硅油阻尼液；4-应变片；5- 温度补偿电阻；6-绝缘套管；7-接线柱；8-电缆；9- 压线板；10-壳体；11-保护块 电阻应变式加速度传感器是一种利用金属应变片或半导体应变片作为 敏感元件进行加速度测量的传感器。分别可组成应变加速度计和压阻加速 度计，它们体积小、重量轻、输出阻抗低，可用于飞机、轮船、机车、桥 梁等振动加速度的测量。 在应变梁2的一端固定质量块1，另一端固定在壳体10上，在梁的上下 两面粘贴应变片4，梁和质量块 的周围充满硅油阻尼液，用以产 生必要的阻尼。测量振动时，将 壳体和被测对象刚性固定在一起 ，因此作用在质量块上的惯性力 Fma使悬臂梁产生变形(应变) 。应变片所构成的电桥失去平衡 而输出电压。此输出电压的大小 正比于外界振动加速度a。 第2章 电阻式传感器 2.2 半导体应变片及压阻式传感器 2.2.1 半导体应变片 半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制 成的。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 压阻效应：材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为该材料 的压阻效应 。 所有材料在某种程度上都呈现压阻现象，但半导体材料的这种 效应特别显著，能直接反映出微小的应变。 半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带 中的载流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率 变化。 第2章 电阻式传感器 1 应变片 2 半导体敏感 条 3 外引线 4 引线连接片 5 内引线 v 体形半导体应变片的结构形状 v 半导体应变片的制作方法 1.将半导体材料按所需晶向切割成片或条 ，粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感 栅使用，称作“体型半导体应变片”。 2.将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。 第2章 电阻式传感器 优点：尺寸、横向效应和机械滞后都很小，灵敏度高，频率响应 范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使 用，使测量系统简单，分辨率高。 缺点：温度系数大，测量较大应变时非线性比较严重。 v 半导体电阻应变片的测量电路 一般采用直流电桥电路，但须 采用温度补偿措施，如图所示。 Rs串联电阻：调零作用 Rp并联电阻（负温度系数热敏电阻）：补偿作用 第2章 电阻式传感器 2.2.2 压阻式传感器 半导体硅有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应。利用半导体硅的 压阻效应和集成电路技术制成的力传感器，具有灵敏度高、动态响应快、 工作温度范围宽、稳定性好、易集成化等一系列优点，因此应用日益广泛 。 早期的硅压力传感器是半导体应变片式的，是金属应变片的延伸；是 利用半导体比金属高的灵敏系数，代替合金材料，把硅片或其制成的芯片 粘贴在弹性体上，但没脱离应变片的模式。70年代，采用集成电路技术研 制的扩散型压阻式传感器（或称固态压阻式传感器），克服了粘贴带来较 大的滞后和蠕变以及固有频率较低和集成化困难的缺点，而且把应变电阻 条和误差补偿、信号调整等电路集成在一块硅片上。 （1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理 （3）硅杯的结构与材料 （4）扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置 （5）压阻式传感器的温度漂移 （6）压阻式传感器的应用 第2章 电阻式传感器 （1）半导体材料的压阻系数 材料电阻的变化为 对半导体材料， ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化 可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即 由半导体理论可知，硅和锗的纵向电阻率的相对变化 L 沿晶向L的压阻系数（m2N）；沿晶向L的应力（Nm2）； E 半导体材料的弹性模量（Nm2）；轴向应变。 半导体材料的应变灵敏系数 如半导体硅，L =（4080）10-11 m2N，E = 1.671011Nm2 ，则 KB = 50100。远比金属应变片灵敏系数 K = 2 大得多。 第2章 电阻式传感器 由于半导体材料的晶体各向异性，在应力作用下，晶格 变形，使能带结构变化，载流子浓度和迁移率变化，即硅半 导体的压阻效应与晶向有关。 影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和 环境温度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂 质浓度相同时，P 型硅的压阻系数比 N 型硅的（绝对）值高 ，因此选 P 型硅有利于提高敏感器件的灵敏度。 用于制作半导体传感器的半导体材料主要有：硅、锗、 锑化铟、磷化铟、砷化镓等，其中最常用的是硅和锗。 扩散型压阻式传感器一般简称为：压阻传感器、扩散硅 。 第2章 电阻式传感器 （2）扩散型压阻式传感器的组成和工作原理 组成： 扩散型压阻式传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件 是一个周边固定支承的硅敏感膜片，即硅压阻芯片，因形状象杯故名硅杯。 上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，经蒸镀金属电极及连线， 接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连 接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。 工作原理： 当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻 的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜 片所受压力差值。 (a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。 第2章 电阻式传感器 （3） 硅杯的结构与材料 通常选用 N 型硅做膜片，在其上扩散 P 型杂质，形成 应变电阻条。P 型电阻条的压阻系数比 N 型大、灵敏度也高 ，而温度系数又小，也易制造。N 型硅膜片晶向选取，既要 考虑灵敏度，又要考虑各向异性腐蚀形成硅杯的工艺。一般 选取，或晶向硅膜片。N 型硅膜片的电阻率，通 常选取8 15cm。经扩散成P型硅电阻条所形成的 PN 结隔 离作用有足够的耐压性。 硅压阻芯片常采用两种结构，周边固定支 承的圆形硅杯和矩形（正方形）硅杯。采用周 边固定支承硅杯结构，使硅膜片与固定支承环 构成一体，既可提高灵敏度，减少非线性误差 和滞后，又便于集成化和批量生产。圆形硅杯 最常采用，工艺成熟。 第2章 电阻式传感器 （4）扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置 硅芯片是在N型膜片上扩散的四个 P 型电阻条，并接成惠斯登电桥（ 全桥差动电桥）。电阻条的阻值、尺寸、取向与位置都对传感器的灵敏度 有很大影响。 扩散电阻条的阻值与几何尺寸 为了输出较大电压UL，要考虑与负载电阻 RL 的匹配。负载电阻两端电压为 只有R0 / RL1时，有 所以电桥的等效电阻 R0 应小些，一般取每个扩散电阻值为5003000。 第2章 电阻式传感器 常用扩散电阻条如图所示，其阻值可按下式计算 式中，l 为扩散电阻长；b 为扩散电阻宽；RS 为方块电阻。 方块电阻 RS 是长与宽都等于 b 的电阻，其阻值用符号表示，RS 由扩散杂质表面浓度 NS 和 PN 结深度决定。RS 约为 10800 时，式 l / b 值一般取 50 100。常采用 b = 5 30m。电阻长度 l 则由宽度 b 和方 块数决定。实际的扩