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第3章应变传感器 3 1电阻应变式传感器3 2薄膜应变电阻及传感器思考题与习题 3 1电阻应变式传感器 3 1 1应变片的结构和类型 电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片 其工作原理是基于电阻应变效应 1 应变片的结构和类型 应变片的结构和形式是多种多样的 图3 1所示的应变片结构主要由四部分组成 电阻丝 敏感栅 1 它是应变片的转换元件 基底和面胶 覆盖层 2 基底是将传感器弹性体的应变传递到敏感栅1的中间介质 并起到电阻丝和弹性体间的绝缘作用 面胶起着保护电阻丝的作用 粘合剂3 它将电阻丝与基底粘贴在一起 作为连接测量导线之用的引出线4 图3 1应变片的结构 2 电阻应变片的分类 电阻应变片的分类方法很多 常用的方法是按照制造应变片时所用的材料 工作温度范围以及用途不同来进行分类 1 按应变片敏感栅的材料分类 可将应变片分成金属应变片和半导体应变片两大类 其中 金属应变片又分为体型 箔式 丝式 和薄膜型 半导体应变片又分为体型 薄膜型 扩散型 PN结型及其它型 2 按应变片的工作温度分类可分为常温应变片 30 60 中温应变片 60 300 高温应变片 300 以上 和低温应变片 低于 30 等 3 按应变片的用途分类可分为一般用途应变片和特殊用途应变片 水下 疲劳寿命 抗磁感应 裂缝扩展等 3 几种常用应变片 1 丝式应变片 丝式应变片的基底材料可分为纸基 胶基 纸浸胶基和金属基等 丝式应变片的电阻丝直径为0 02 0 05mm 常用的为0 025mm 电流安全允许值为10 12mA和40 50mA 电阻值一般应在50 1000 范围内 常用的为120 引出线使用直径为0 15 0 30mm 的镀银或镀锡铜带或铜丝 2 箔式应变片 箔式应变片的敏感栅是通过光刻 腐蚀等工艺制成的 其箔栅厚度一般为0 003 0 01mm 箔金属材料为康铜或合金 卡玛合金 镍镕锰硅合金等 基底可用环氧树脂 酚醛或酚醛树脂等制成 箔式应变片有较多的优点 如可根据需要制成任意形状的敏感栅 表面积大 散热性能好 可以允许通过比较大的电流 蠕变小 疲劳寿命高 便于成批生产且生产效率比较高等 3 半导体应变片 半导体应变片是利用半导体的压阻效应制成的一种转换元件 它与金属丝式应变片和箔式应变片比较 具有灵敏系数高 比金属应变片的灵敏系数大50 100倍 机械滞后小 体积小以及耗电量少等优点 半导体应变片的电阻温度系数大 非线性也大 这些缺点不同程度地制约了它的应用发展 不过 随着近年来半导体集成电路工艺的迅速发展 相继出现了扩散型 外延型和薄膜型半导体应变片 使其缺陷得到了一些改善 4 金属薄膜应变片 所谓金属薄膜是指厚度在0 1mm以下的金属膜 厚度在25 m左右的膜称厚膜 箔式应变片即属厚膜类型 金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成的 它可以将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂 这样应变片的滞后和蠕变均很小 灵敏度高 5 高温及低温应变片 按工作温度来分类的高 低温应变片 其性能取决于应变片的应变电阻合金 基底 粘合剂的耐热性能及引出线的性能等 3 1 2电阻应变式传感器的工作原理 1 金属的应变效应 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应 金属丝的电阻随着它所承受的机械变形 拉伸或压缩 的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应 由于金属丝的电阻 与材料的电阻率 及其几何尺寸 长度l和截面积A 有关 而金属丝在承受机械变形的过程中 这三者都要发生变化 因而引起金属丝的电阻变化 测量阻值的大小 就可以反映外界作用力的大小 2 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应 用应变片测量应变或应力时 在外力作用下 被测对象产生微小机械变形 应变片随其发生相应的变化 同时 应变片电阻也发生相应变化 当测得应变片电阻值的变化量 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 为 E 3 1 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 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 3 1 3电阻应变片的主要特性及参数 1 应变片电阻值 R 应变片在没有粘贴及未参与变形前 在室温下测定的电阻值称为初始电阻值 单位为 应变片阻值有一定的系列 如60 120 250 3500 和10000 其中以120 最为常用 应变片电阻值的大小应与测量电路相配合 2 灵敏系数 k 灵敏系数k是应变片的重要参数 k值误差的大小也是衡量应变片质量的重要标志 电阻应变片的k值及其误差一般以平均灵敏系数值k及相对均方根差 表示 k k 3 2 3 机械滞后 Zj 对于已安装在试件表面的应变片 在温度恒定时 增加或减少机械应变过程中 在同一机械应变量的作用下指示应变的差数 称为应变片的机械滞后 造成机械滞后的原因很多 主要是敏感栅 基底和粘合剂在承受机械应变以后所留下的残余变形 4 横向效应及横向效应系数 H 应变片在感受被测试件的应变时 横向应变将使其电阻变化率减小 从而降低灵敏系数的现象称为应变片的横向效应 应变片横向效应的大小用横向效应系数H表示 它的定义为 在同一单向应变作用下垂直于单向应变方向安装的应变片的指示应变与平行于单向应变方向安装的同批应变片的指示应变之比 以百分数表示 在一般情况下 H都小于2 高精度应变片的H值可达到0 2 左右 5 零点漂移 P 对于已安装的应变片 在温度恒定和试件不受应力作用的条件下 指示应变随时间的变化数值通常简称为零漂 应变片的零漂主要是由于绝缘电阻过低以及通过电流产生的热电势等所造成 6 蠕变 对于已安装的应变片 在承受恒定的真实应变情况下 温度恒定时指示应变随时间的变化数值称为蠕变 一般在室温下 加一恒定的机械应变 在一小时后的指示应变差值即为蠕变值 零漂和蠕变都是衡量应变片时间稳定性的指标 7 应变极限 lim 应变片所能测量的应变范围是有一定限度的 能够测量的最大应变值称为应变极限 其定义为 对于已安装的应变片 在温度恒定时 指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值时的真实应变值称为应变极限 一般认为 在室温条件下 指示应变降低到试件真实应变的某一数值 如90 时 应变片就已经开始失去工作能力 此时应变片能测试应变的最大值即为应变极限 8 疲劳寿命 N 对于已安装的应变片 在恒定幅值的交变应力作用下 连续工作到产生疲劳损坏时的循环次数 称为应变片的疲劳寿命 它反映了应变片对于动态应变的适应能力 9 温度效应及热输出 t 应变片粘贴到试件上 由于环境温度变化的影响 将使电阻产生相对变化 这种现象称为应变片的温度效应 由于温度变化引起的应变输出称为热输出 热输出 t 又定义为 当应变片安装在某一具有线膨胀系数的试件上 试件可以自由膨胀并不受外力作用 在缓慢升 或降 温的均匀温度场内 由温度变化引起的指示应变 其表达式为 3 3 式中 R R t 应变片由温度所引起的总的电阻相对变化 t 应变片的热输出 k 应变片的灵敏系数 at 应变片敏感栅材料的电阻温度系数 s 试件材料的线膨胀系数 1 f 敏感栅材料的线膨胀系数 1 t 环境温度的变化量 10 应变片的最大工作电流 Imax 当应变片接入电路通以电流时 若电流超过某一规定值后 由于产生的热效应将使应变片温度不断升高 严重地影响其工作特性 甚至烧坏应变片敏感栅 因此需要规定允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大电流值 这个电流值称为应变片的最大工作电流 Imax 确定应变片的Imax值是多种因素综合考虑的结果 一般由生产厂家提供 丝式应变片通常规定的Imax为25mA 但在动态测量或使用箔式应变片时可取得大一些 约为75 100mA 应变片的最大工作电流Imax的选取也可以以应变片的零漂不超过允许值作为依据 11 绝缘电阻 Rm 已安装的应变片的敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值 称为应变片的绝缘电阻 Rm 它是检查应变片的粘贴质量与粘合剂是否干燥或固化的重要指标 绝缘电阻越高越好 在室温下 应变片的绝缘电阻在500 5000M 之间 表3 1中列出了有关标准 中华人民共和国专业标准 ZBYII7 82 电阻应变计 中评定电阻丝式和箔式应变计质量等级的各项指标 应检项目以及应变计单项工作特性的精度等级 表3 1评定电阻丝式和箔式应变计质量等级的各项指标及应检项目 3 2薄膜应变电阻及传感器 3 2 1薄膜分类 薄膜有两种分类方法 按薄膜厚度分类和按薄膜结构形式分类 1 按薄膜厚度分类 1 非连续金属膜 这种膜的厚度小于10 8m 膜面呈一个个相互孤立的小岛 它们之间没有通道 其导电作用是由隧道效应所实现的 这种膜形成的应变片阻值很高 灵敏度也很高 但性能极不稳定 2 半连续膜 这种膜的厚度在10 8 2 10 8m之间 膜面呈不连续的岛状 各岛之间有若干通道 3 连续膜 这种膜的膜厚一般大于2 10 8m 膜面上基本看不到岛状结构 这种膜的稳定性远较前两种为佳 用于力敏元件的均属于这种膜 2 按薄膜结构形式分类 1 多晶体薄膜 用于敏感元件的半导体 如Ge Si 和化合物半导体 如锑化铟 Insb 砷化镓 GnAs 通常都制成多晶体薄膜 这种膜是由微小的晶粒无规则排列构成的 其晶核的形成晶粒的大小取决于基底温度 淀积速度等工艺条件 若再经过退火处理 还可使该膜的晶粒增大 用各种方法获得的金属薄膜一般都是多晶体薄膜 2 单晶体薄膜 用外延生长方法获得的半导体薄膜均属单晶体薄膜 外延生长法已广泛应用于制造各种半导体器件和集成电路 该方法已十分成熟 用该方法获得的硅薄膜 因基片是单晶 所以生长出的薄膜也是单晶 3 无定形薄膜 用各种方法获得的金属氧化物介质薄膜一般都是非晶态 这就是所谓的无定形薄膜 在一定条件下 如基底温度很低 则也可形成半导体的无定形薄膜 如无定形硅薄膜等 目前用于制造敏感元件和传感器的薄膜 大都是金属 包括合金 或半导体薄膜 而氧化物介质薄膜通常用作绝缘层 3 2 2薄膜工作原理 薄膜工作原理是基于材料的压电阻特性 即应力的变化会引起电阻的变化 电阻变化的原因是当材料受到应力 或力 作用之后 电阻元件尺寸和材料电阻率发生了变化 后者变化是由于应力对电子自由程的影响 一般应力测量是采用金属线和金属片作为电阻元件 并将其接入惠斯顿电桥的某一臂来测量电阻变化 从而得知应力的大小 但金属片必须贴在需要测量的表面上 这样就限制了测量的精度 因为应力不可能完全传送至金属片 同时也限制了这种传感器的最大工作温度 薄膜应力传感器可克服这些缺点 因为薄膜应力传感器是由直接淀积在需要测量的表面上的压电电阻薄膜组成的 通过对应力相对不敏感材料 如 Au或Al 等 的厚膜电阻电极 可以实现对应力敏感电阻器的接触 宽度为w 长度为l 厚度为t的自支撑薄膜的电阻为 3 4 式中 是薄膜材料的电阻率 A wt 是横截面面积 电阻的应变系数 也称灵敏系数 被定义为 3 5 根据式 3 1 可推导出电阻的灵敏系数k为 3 6 式中 是薄膜材料的泊松比 在薄膜情况下 若考虑到基板的弹性效应 可将式 3 3 改写为 3 7 式中 1是基底材料的泊松比 对于金属薄膜电阻 在应力作用下其电阻率基本不变 它的灵敏系数k主要取决于式 3 7 前三项 因为泊松比一般为0 25 0 5 故k大约为1 7 2 2 对于半导体薄膜电阻 在应力作用下 它的灵敏系数k主要由电阻率变化引起 电阻率的变化比与压阻系数成比例 压阻系数可以很大 其值与晶向有关 有的可高达100以上 所以 半导体薄膜电阻的灵敏系数k远比金属薄膜电阻的高 3 2 3薄膜应变传感器的特点 薄膜应变片及传感器与扩散硅等传感器相比 其制造工艺环节要少得多 它的主要制造工艺环节是成膜工艺 如溅射 蒸发等 由于工艺环节较少 工艺周期较短 成品率也就较高 这是它目前获得广泛使用的主要原因之一 薄膜应变片可以同弹性体键合在一起 构成整体式薄膜传感器 也可以制成单一的薄膜应变片 再粘贴在弹性体上构成传感器 前者使用最多 它可避免后者因粘片工艺所带来的误差因素 如蠕变 滞后等 用薄膜技术制成的合金型应变片和传感器 其稳定性很高 电阻温度系数又很小 一般为 10 5 10 6 数量级 这些都是半导体应变片式传感器和扩散型传感器所不及的 薄膜应变传感器适用于航天 航空工业 以及对稳定性要求较高的测控系统中 合金型薄膜应变片的灵敏系数较低 一般约为1 7 2 2左右 大体同金属丝式和箔式应变片的相当 半导体Ge Si薄膜应变片及传感器具有较高的灵敏系数 一般为30以上 其电阻温度系数约为10 5 数量级 此外 薄膜应变片的阻值可做得很高 通常均可做到几千到几万欧姆 因而其可在低功耗的状态下工作 薄膜应变片及传感器由于制造工艺的特点 使得其参数一致性远较半导体型和扩散型的高 适于大量生产 成本低廉 对薄膜应变片及传感器反复加载106次以上 其仍能正常工作 说明它们的耐疲劳性能良好 薄膜应变片式传感器的量程很大 现已制成的有大量程称重 加速度 压力传感器等 扩散Si压力传感器的量程一般不太大 这是因为扩散Si本身的感压元件就是Si本身 由于Si较脆 故不宜承受较大载荷 近年来 也有人采用所谓 硅堆 形式来制造大量程的力类传感器 但仍有许多问题不好解决 总之 薄膜应变片式传感器是很有发展前途的传感器 图3 2和图3 3分别是一种薄膜应变片传感器和粘贴式 非粘贴式压力传感器的蠕变曲线及零点漂移曲线 图3 2薄膜传感器的蠕变曲线 图3 3