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1、 壓阻式傳感器1.1.半導體的壓阻效應(yīng)半導體的壓阻效應(yīng)2.2.體型半導體應(yīng)變片體型半導體應(yīng)變片3.3.擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器4.4.壓壓阻式阻式加速度傳感器加速度傳感器5.5.壓阻式傳感器的測量電路壓阻式傳感器的測量電路6.6.壓阻式傳感器的應(yīng)用壓阻式傳感器的應(yīng)用1.半導體的壓阻效應(yīng) n固體材料受到壓力后，它的電阻率將發(fā)生一定的變化，所有的固體材料都有這個特點，其中以半導體最為顯著。當半導體材料在某一方向上承受力時，它的電阻率將 發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為半導體壓阻效應(yīng)。n壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。n因

2、為半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。1.1壓阻效應(yīng) 金屬材料 半導體材料 半導體電阻率 l為半導體材料的壓阻系數(shù)，它與半導體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。對半導體材料而言，l E(1+)，故(1+)項可以忽略 半導體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率的變化是由應(yīng)變引起的。半導體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示半導體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小 利用這種效應(yīng)制成的電阻稱為固態(tài)壓敏電阻，也叫力敏電阻。用壓敏電阻制成的器件有兩類：一種是利用半導體材料制成黏貼式的應(yīng)變片；另一種

3、是在半導體的基片上用集成電路的工藝制成擴散型壓敏電阻，用它作傳感器元件制成的傳感器，稱為固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴散型壓阻式傳感器。1.2 壓敏電阻分類2.體型半導體電阻應(yīng)變片 這種半導體應(yīng)變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。體型半導體應(yīng)變片可分為6種。普通型:它適合于一般應(yīng)力測量；溫度自動補償型：它能使溫度引起的導致應(yīng)變電阻變化的各種因素自動抵消，只適用于特定的試件材料；靈敏度補償型：通過選擇適當?shù)囊r底材料（例如不銹鋼），并采用穩(wěn)流電路，使溫度引起的靈敏度變化極?。桓咻敵觯ǜ唠娮瑁┬停核淖柚岛芨撸?10千歐）,可接成電橋以高電壓供電而獲得高

4、輸出電壓，因而可不經(jīng)放大而直接接入指示儀表。超線性型:它在比較寬的應(yīng)力范圍內(nèi),呈現(xiàn)較寬的應(yīng)變線性區(qū)域，適用于大應(yīng)變范圍的場合；P-N組合溫度補償型:它選用配對的P型和N型兩種轉(zhuǎn)換元件作為電橋的相鄰兩臂，從而使溫度特性和非線性特性有較大改善。2.1 結(jié)構(gòu)型式及特點 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機械滯后極小 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多 半導體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式 n1-P1-P型單晶硅條型單晶硅條 n2-2-內(nèi)引線內(nèi)引線n3-3-焊接電極焊接電極n4-4-外引線外引線2.2 測量電路 n恒壓源恒壓源n恒流源恒流源電橋輸出電壓與R/R成正比，輸出

5、電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。半導體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點是靈敏度高，這為它的應(yīng)用提供了有利條件。另外，由于機械滯后小、橫向效應(yīng)小以及它本身體積小等特點，擴大了半導體應(yīng)變片的使用范圍。其最大的缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散程度大（由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響）以及在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大等，給使用帶來一定困難。2.3 半導體應(yīng)變片的優(yōu)缺點3.擴散型壓阻式壓力傳感器 在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)是可逆的，即在應(yīng)力作用下硅的電阻發(fā)生變化，而當應(yīng)力除去時，硅的電阻又恢復到原來的數(shù)值。硅的壓阻效應(yīng)因晶體的取向不同而不同，即對不同的晶軸方向其壓阻系數(shù)不同。雖然

6、半導體壓敏電阻的靈敏系數(shù)比金屬高很多，但是有時還是不夠。因此為了進一步增大靈敏度，壓敏電阻常常擴散（安裝）薄的硅膜上，讓硅膜起一個放大作用。3.1 結(jié)構(gòu)類型壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片 采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應(yīng)變薄膜 工作原理：工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個電阻的配置位置四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。設(shè)計時，適當安排電阻的位置，可以組成差動電橋。3

7、.2 擴散型壓阻式壓力傳感器特點n優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。n測量準確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進行補償。4.壓阻式加速度傳感器 壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁，如圖所示。在其根部擴散出四個電阻，當懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受有加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力，使四個電阻阻值發(fā)生變化。擴散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a5.1 5.1 壓阻式傳感器的測量電路壓阻式傳感器的測量電路（1 1）恒壓源供電）恒壓源供電 假設(shè)四個擴散電阻的起始阻值都相等

8、且為R，當有應(yīng)力作用時，兩個電阻的阻值增加，增加量為DR，兩個電阻的阻值減小，減小量為-DR；另外由于溫度影響，使每個電阻都有DRT的變化量。根據(jù)圖，電橋的輸出為 整理后得 5.5.壓阻式傳感器的測量電路壓阻式傳感器的測量電路 如RT=0，即沒有溫度影響，則 此式說明電橋輸出與DR/R成正比，即與被測量成正比；同時又與U成正比，表明電橋的輸出與電源電壓的大小與精度都有關(guān)。如DRT0時，則Usc與DRT有關(guān)，也就是說與溫度有關(guān)，而且與溫度的關(guān)系是非線性的，所以用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。假設(shè)電橋兩個支路的電阻相等，即 故有 因此電橋的輸出為 整理后得n電橋的輸出與電阻的變化量成正比，即與

9、被測量成正比，當然也與電源電流成正比，即輸出與恒流源的供給電流大小與精度有關(guān)，不受溫度影響，這是恒流源供電的優(yōu)點。（2 2）恒流源供電）恒流源供電 1.將四個電橋電阻盡量集中于一個小的范圍 在擴散電阻形成的工藝過程中，光刻、擴散等工藝會引起電阻條寬度或雜質(zhì)濃度發(fā)生偏差。導致各電阻值和溫度系數(shù)互不相等，造成電橋的不平衡，電橋的輸出特性就會受到溫度影響。5.2 5.2 減小在擴散工藝中的溫度影響減小在擴散工藝中的溫度影響2.采用復合電阻條減少溫度影響 如圖所示，在（100）面上配置了8個電阻條，相互對它們自己中心對稱，按圖中方式連成電阻橋。這樣，電橋的每一臂都由對中心點對稱的兩個電阻構(gòu)成復合電阻，

10、即1和2，3和4，5和6，7和8，使得電橋每一臂電阻值和溫度系數(shù)都可做得很接近，所以電橋零點不隨溫度變化，也沒有零點漂移，表現(xiàn)出良好的溫度特性。6.壓阻式傳感器的應(yīng)用n由于具有頻響高、體積小、精度高、測量電路與傳感器一體化等特點，壓阻式傳感器相當廣泛地應(yīng)用在航天、航空、航海、石油、化工、動力機械、生物醫(yī)學、氣象、地質(zhì)地震測量等各個領(lǐng)域。n 1.生物醫(yī)學上的應(yīng)用 n 小尺寸，高輸出和穩(wěn)定可靠的性能，使得壓阻式傳感器成為生物醫(yī)學上理想的測試手段。（a）：注射針型壓阻式壓力傳感器（b）：內(nèi)心導管中的壓阻式壓力傳感器（c）：腦壓傳感器 2.爆炸壓力和沖擊波的測量 在爆炸壓力和沖擊波的測試中，廣泛應(yīng)用壓

11、阻式壓力傳感器。3.汽車上的應(yīng)用 用硅壓阻式傳感器與電子計算機配合可監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能，以達到節(jié)能目的。此外還可用來測量汽車啟動和剎車時的加速度。4.兵器上的應(yīng)用 由于固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快，體積小等特點，壓阻式壓力傳感器適合測量槍炮膛內(nèi)的壓力。測量時，傳感器安裝在槍炮的身管上或裝在藥筒底部。另外，壓阻式傳感器也用來測試武器發(fā)射時產(chǎn)生的沖擊波。此外，在石油工業(yè)中，硅壓阻式壓力傳感器用來測量油井壓力，以便分析油層情況。壓阻式加速度計作為隨鉆測向測位系統(tǒng)的敏感元件，用于石油勘探和開發(fā)。在機械工業(yè)中，可用來測量冷凍機、空調(diào)機、空氣壓縮機、燃氣渦輪發(fā)動機等氣流流速，監(jiān)測機器的工作狀態(tài)。在郵電系統(tǒng)中，用作地面和地下密封電纜故障點的檢測和確定，比機械式傳感器精確和節(jié)省費用。在航運上，測量水的流速，以及測量輸水管道，天然氣管道內(nèi)的流速等。