浙江工大压阻式传感器.ppt

传感器与检测技术,作者：马修水,责任编辑：王波出版日期：2010年7月IDPN：308-2010-02课件章数：29,2.2压阻式传感器,金属电阻应变片性能稳定、精度较高。这类应变片的主要缺点是应变灵敏系数较小。20世纪50年代中期出现的半导体应变片可以改善这一不足，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50倍，主要有体型半导体应变片和扩散型半导体应变片。用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。,2.2.1半导体压阻效应和压阻式传感器工作原理,1半导体压阻效应和压阻式传感器工作原理半导体的压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象。不同类型的半导体，施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样。目前使用最多的是单晶硅半导体。,对于长l，截面积S，电阻率的条形半导体应变片，在轴向力F作用下利用式（2.1.5）的结果，对于金属材料，/项值很小，可以忽略不计；对半导体材料，/项值很大，因此可得：,(2.2.1),半导体单晶的应变灵敏系数可表示为(2.2.2)式中，E半导体应变片材料的弹性模量；L半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。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。,2体形半导体应变片的结构形式体型半导体电阻应变片是从单晶硅或锗上切下薄片制成的应变片，结构型式见图2.2.1。图2.2.1体型半导体应变片的结构形状,半导体应变片的主要特点：灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍。通常不需要放大器就可以直接输入显示器或记录仪，可简化测试系统；横向效应和机械滞后极小；半导体应变片的温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多，很难用它制作高精度的传感器，只能作为其他类型传感器的辅助元件。,2.2.1测量电路和温度补偿,1半导体电阻应变片的测量电路在半导体应变片组成的传感器中，均由4个应变片组成全桥电路，将4个应变片粘贴在弹性元件上，其中2个应变片在工作时受拉，而另外2个则受压，从而使电桥输出的灵敏度达到最大。电桥的供电电源可采用恒流源，也可以采用恒压源，因此，桥路输出的电压与应变片阻值变化的关系有所不同。直流电阻电桥电路，但须采用温度补偿措施，如图2.2.2所示。,图2.2.2温度补偿电路2.零点温度补偿零点温度漂移是由于4个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻的方法进行补偿，如图2.2.2所示。,3灵敏度温度补偿灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的温度灵敏系数为负值。补偿灵敏度温漂可以利用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高电源的电压，使电桥的输出适当增大，便可达到补偿目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。由于二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降约减小1.92.4mV。,将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见图2.2.2。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。,2.2.3压阻式传感器应用在航空工业，用硅压力传感器测量机翼气流压力分布，发动机进气口处的动压畸变。在生物医学中，将10m厚的硅膜片注射到生物体内，可做体内压力测量，插入心脏导管内测量心血管，以及颅内、眼球内压力。兵器工业也使用压阻式传感器来测量爆炸压力和冲击波，测量枪炮腔内压力。压阻式传感器所需电流小，在可燃体和气体许可值以下，是理想的防爆压力传感器，所以也用于防爆检测。,1.扩散型压阻式压力传感器为了克服半导体应变片粘贴造成的缺点，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，制成扩散型压阻式传感器。扩散型压阻式传感器的原理与半导体应变片传感器相同，不同之处是前者直接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，后者是用黏结剂粘贴在弹性元件上。,图2.2.3（a）是扩散型压阻式压力传感器的简单结构图，其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置有4个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆环（硅环）固定，如图2.2.3（b）所示。膜片的两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般与大气相通。,图2.2.3压阻式压力传感器,4个电阻的配置位置按膜片上径向压力r和切向应力t的分布情况确定。当膜片上的应力分布：(2.2.3)(2.2.4)式中，硅材料的泊松比，=0.35；r0、r、h硅膜片的有效半径，计算半径和厚度。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。,主要优点：体积小结构比较简单动态响应好灵敏度高，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,缺点及处理方法：测量准确度受到非线性和温度的影响。现在出现的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，它利用大规模集成电路技术，将传感器与计算机集成在同一片硅片上，兼有信号检测、处理、记忆等功能，从而大大提高传感器的稳定性和测量准确度。,2.压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器以单晶硅悬臂梁作为敏感元件，如图2.3.4所示。四个扩散电阻扩散在其根部的两面。当梁的自由端的质量块m受到加速度a作用时，质量块产生惯性力ma，悬臂梁受到弯矩作用发生变形产生应力，使扩散电阻变化R变化。由四个电阻组成的电桥产生与加速度成比例的电压输出。,图2.3.4压阻式加速度传感器,思考题与习题,1什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。2图2-1为一直流应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350，求：R1为应变片其余为外接电阻，R1增量为R1=3.5时输出U0=?。R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同其余为电阻，电压输出U0=?。R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?。R1、R2、R3、R4都是应变片,对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?。,图2-1第2题图3.说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？4.应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？,5.有一吊车的拉力传感器如图图2-2所示。其中电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上。已知R1、R2、R3、R4标称阻值均为120，桥路电压为2V，物重m引起R1、R2变化增量为1.2。画出应变片组成的电桥电路。计