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传感器
检测
技术
徐科
主编
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2.2 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,2.2.1 半导体的压阻效应,固体受到作用力后，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。,压阻效应,金属材料 半导体材料,半导体电阻率,l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。,对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略,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,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,2.2 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,2.2.2 体型半导体电阻应变片,结构型式及特点 测量电路,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,2. 测量电路,恒压源恒流源,电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响。,电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。,2.2 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,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,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r和切向应力t的分布情况确定。,设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。,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。,2.2 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,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 。,2.2 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,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 1. 恒流源供电电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿,1. 恒流源供电电桥,恒流源供电的全桥差动电路,假设RT为温度引起的电阻变化,电桥的输出为,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。,2.温度漂移及其补偿,U,R1,R2,R4,R3,U0,Rs,Rp,VD,温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移,零 漂 扩散
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