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1、第二节 压阻式传感器,7.2.1 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。,上一页,返 回,下一页,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。,上一页,返 回,下一页,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
2、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,上一页,返 回,下一页,7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路,(1)体型半导体应变片(2)扩散型压阻式压力传感器(3)测量桥路及温度补偿,上一页,返 回,下一页,（1）体型半导体电阻应变片,1.结构型式及特点 2.测量电路,1.结构型式及特点,主要优点是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,上一页,返 回,下一页,体型半导体应变片的结构形式,1-P型单晶硅条 2-内
3、引线3-焊接电极4-外引线,对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的影响，其关系式为：,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。R为应变片阻值，R为应变片阻值变化，Rt为环境温度变化受环境温度引起阻值的变化,电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。,上一页,返 回,下一页,（2）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,上一页,返 回,下一页,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
4、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。,上一页,返 回,下一页,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。,上一页,返 回,下一页,（3）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
5、问题，影响传感器的准确性。减少与补偿误差措施 1.测量电桥 2.零点温度补偿 3.灵敏度温度补偿,上一页,返 回,下一页,1.测量电桥,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。,上一页,返 回,下一页,2.温度漂移及其补偿,上一页,返 回,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 扩散电阻值随温度变化灵敏度漂移 压阻系数随温度变化,零 位 温 漂 串、并联电阻灵敏度温漂 串联二极管,串联电阻Rs起调零作用并联电阻RP起
6、补偿作用,3.灵敏度温度补偿,补偿灵敏度漂移原理：温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高电源电压，使电桥输出适当增大，便可达到补偿目的。温度升高时，二极管压降降低，可使电桥电源电压提高，关键是适当选择串联二极管的个数。,7.2.3 压阻式传感器的应用,1.扩散型压阻式压力传感器2.差频压阻式压力传感器3.压阻式加速度传感器,1.扩散型压阻式压力传感器,1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片,在膜片位移量远小于膜片的厚度时，受均匀压力的圆形硅膜片上各点的径向应力 和切向应力,可分别用下式计算:,优点：,扩散型压阻式压力传感器的主要优点就是体积小、结构简单，动态相应好，灵敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高，性能稳定，成本低，便于批量生产。,2.差频压阻式压力传感器,差频压阻式压力传感器工作原理图,（a）分布阻容网络；（b）相移振荡器；（c）差频振荡压阻 式压力传感器组合,独立的相移正弦振荡器振荡频率为：,压力的变化：,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服零点漂移，一般都采用差频输出的形式。也就是在选择适当的晶向和扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器并连接宽带放大器和频率综合器，将其组合在一起构成差频压阻式压力传感器，,3 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。,上一页,返 回,下一页,
