第3章 力敏传感器

第3章力敏传感器,单元7压阻式传感器单元8压电式传感器,化学工业出版社,单元7压阻式传感器,【电路图】,【电路分析】,压阻式固态压力传感器由外壳、硅膜片和引线组成。其核心部分是一块圆形的膜片，在膜片上利用集成电路的工艺扩散四个阻值相等的电阻，构成电桥。膜片的四周用一圆环固定，常用硅杯一体结构（如下图）来减小膜片与基座连接所带来的性能变化。膜片的两边有两个压力腔，一个是和被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。4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。该电压和膜片的两边压力差成正比，这样测得不平衡电桥的输出电压就能求得膜片所受的压力差。,【知识要点】,1.压阻效应：压阻式传感器基于半导体材料的压阻效应当对半导体材料施加应力作用时，半导体材料的电阻率将随着应力的变化而发生变化，电阻值也发生变化。2.压阻式传感器的工作原理：金属电阻应变片的电阻的变化主要由金属材料的几何尺寸所决定。但对于半导体材料而言，情况正好相反，即由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化很小，可忽略不计，而/很大，也就是说，半导体材料电阻的变化主要由半导体材料电阻率的变化所造成的，此即压阻式传感器的工作原理。压阻式传感器电阻的变化一般可表示为：,3.压阻式传感器的材料：一般半导体应变片是沿所需的晶向将硅单晶体切成条形薄片，厚度约为0.050.08mm，在硅条两端先真空镀膜蒸发一层黄金，再用细金丝分别与两电极焊接。硅条是感压部分，基底起支撑和绝缘作用，采用胶膜材料，电极一般用康铜箔，外引线用镀银铜线。,回到第一页,单元8压电式传感器,【电路图】,【电路分析】,上图是压电传感器的压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路图。压电元件如下图。,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，与电容器十分相似，一面为正电荷，一面为等量的负电荷，所不同的是压电晶片材料的绝缘电阻（漏电阻）很大，晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉。压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。,实际应用中，压电传感器是用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。,【知识要点】,1.压电效应：某些物质、如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，这种现象称为压电效应。2.压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大后才能显示或记录，后接负载必须有高输入阻抗，因此压电式传感器后面的放大器必须具有以下两个主要功能：（1）阻抗转换功能。必须先将高输入阻抗转换为低阻抗输出，然后才能接入通用的放大、检波等电路及显示记录仪表。（2）放大传感器输出的微弱信号。压电传感器后面配接的以阻抗变换为第一功能的放大器称之为前置放大器。,回到第一页,以石英晶体为例说明压电效应：石英晶体的基本形状为六角形晶柱。如下图，两端为一对称的棱锥。六棱柱是它的基本组织。纵轴线z-z称为光轴，通过六角棱线而垂直于光轴的轴线x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴，如下图。沿电轴x-x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。,沿电轴x-x方向的力作用