现代测试技术领域的主角_半导体压阻式传感器
《传感器与检测技术》半导体扩散硅压阻式压力传感器实验
《传感器与检测技术》半导体扩散硅压阻式压力传感器实验课程名称：传感器与检测技术实验类型：验证型实验实验项目名称：半导体扩散硅压阻式压力传感器实验一、实验目的和要求了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。
二、实验内容和原理压阻式传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，是的它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
一般半导体一般采用 N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它的上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出 P 型或 N 型电阻条）组成电桥。
在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大的变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力的变化。
三、主要仪器设备需用器件与单元：主、副电源、可调直流稳压电源、差动放大器、电压/频率表、压阻式传感器、压力表及加压配件。
6、了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。
图 5-1 压阻式传感器符号及实验原理示意图7、按图 5-2 将连接，注意接线正确，否则容易损坏元器件，差放接成同相反相均可。
图 5-2 压阻式实验接线图8、按图 5-3 接好传感器供压回路，传感器具有两个气咀，上面的是高压咀，下面的是低压咀，当高压咀接入正压力时（相对于低压咀）输出为正电压，反之为负。
将引压胶管接到高压咀（或低压咀），将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧紧，使压力表示数指示为 0Kpa。
图 7-3 供压回路安装示意图9、开启主、副电源，可调直流稳压电源选择±4V 档，电压/频率表量程切换开关置 2V 档，调节差放调零旋钮，使电压/频率表示数为零，记下此时电压/频率表读数。
轻按加压皮囊，注意不要用力太大，每隔 5Kpa 记录电压/频率表读数并填入下表 5-1：根据所得的结果计算系统灵敏度 S=ΔV/ΔP 关系曲线，找出线性区域。
压阻式压力传感器
压阻式压力传感器1. 引言压阻式压力传感器是一种用于测量压力的传感器。
该传感器的工作原理是通过应变电阻的变化来检测受力物体的压力。
它广泛应用于工业控制、汽车制造等许多领域。
本文将介绍压阻式压力传感器的工作原理、特点以及应用。
2. 工作原理压阻式压力传感器的工作原理基于应变电阻效应。
当传感器受到压力作用时，传感器内的金属薄片或薄膜会发生形变，导致金属材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，我们可以得知受力物体的压力大小。
通常，压阻式压力传感器由两个电极之间夹着一层薄膜或薄片构成。
当压力作用在传感器上时，薄膜或薄片会发生拉伸或压缩，从而改变电流的通道，使电阻值发生变化。
这种变化可以被测量电路检测到并转换为相应的电压或电流信号。
3. 特点压阻式压力传感器具有以下特点：•灵敏度高：由于应变电阻效应是线性的，压阻式压力传感器在测量范围内具有较高的灵敏度。
•稳定性好：传感器内部的金属材料通常经过特殊处理，以增加其稳定性和可靠性。
•宽测量范围：压阻式压力传感器可以适应广泛的测量范围，从几千帕到几百兆帕不等。
•耐用性强：传感器通常采用金属或陶瓷材料制成，具有较好的耐用性。
4. 应用压阻式压力传感器在许多领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：4.1 工业控制压阻式压力传感器可用于测量流体压力，如液体或气体。
在工业控制中，压力传感器常被用于监测管道或容器中的压力变化，以确保系统正常运行。
4.2 汽车制造压阻式压力传感器在汽车制造中起着重要作用。
它们可用于测量发动机燃油压力、轮胎气压等数据，以确保汽车的安全性和性能。
4.3 医疗设备压阻式压力传感器在医疗设备中也有应用。
例如，它们可用于测量患者的血压、呼吸气道压力等数据，以协助医生进行诊断和治疗。
4.4 环境监测压阻式压力传感器可用于环境监测，如大气压力、海洋水深等数据的测量。
这些数据对于气象研究、海洋科学等领域非常重要。
5. 总结压阻式压力传感器是一种用于测量压力的重要传感器。
半导体压力传感器工作原理
半导体压力传感器工作原理
半导体压力传感器是一种利用半导体单晶片技术制造的高精度压力测量传感器。
它是一种微机电系统（MEMS）传感器，具有广泛的应用范围，如汽车、医疗、机械加工等领域。
半导体压力传感器的工作原理可以分为两个主要步骤。
首先是感应部件的变形，其次是输出信号的测量。
感应部件是由一片微型薄膜制成。
当压力作用于该薄膜时，其变形导致电阻值发生变化。
这种变化是由材料的应变效应引起的，该效应使电阻随着应变而变化。
感应部件的材料通常是硅，正是由于硅材料具有相对稳定的应变效应，因此它是制造半导体压力传感器的理想材料。
这个变形引起的电阻变化通过微型导线传输到电路板上，电路板通常是基于扩展板设计，可以与微处理器相连。
然后，微处理器根据电阻值变化计算出实际的压力。
该信号可以通过串行接口、脉冲调制等方式输出到外部设备中。
半导体压力传感器具有很多优点：它们非常小，成本低，工作可靠性高，精度高，响应时间短，重复性好，可被集成到很多不同类型的电子设备中。
这些优点使得半导体压力传感器在很多领域得到广泛的应用。
需要注意的是，在使用半导体压力传感器时，我们应该了解它们的量程、精度和温度依赖性。
此外，传感器周围的环境也可能会对传感器测量结果产生影响，例如温度、震动和湿度。
因此，在微处理器的开发和数据的处理中，我们需要考虑这些因素。
总之，半导体压力传感器是一种采用半导体单晶片技术制造的高精度压力传感器，其工作原理主要分为感应部件的变形和输出信号的测量。
半导体压力传感器具有许多优点，因此在许多领域得到广泛应用。
半导体压力传感器
半导体压力传感器导语：半导体压力传感器是一种能够将压力转化为电信号的装置，被广泛应用于各行各业。
本文将对半导体压力传感器的工作原理、应用领域以及未来发展进行详细介绍。
一、工作原理1.1 压阻效应半导体压力传感器的核心是一块由硅等半导体材料制成的薄膜。
当外部施加压力作用在薄膜上时，导电材料内部的阻值会发生变化。
这种变化通过电路传递至输出端口，并由输出电路进行处理，最终转化成压力信号。
1.2 电桥结构大部分半导体压力传感器采用了电桥结构。
电桥结构由四个电阻组成，其中两个电阻是压敏电阻，另外两个是补偿电阻。
通过调整电桥中的电阻比例，可以实现对输出信号的准确控制。
1.3 敏感层技术为了提高压力传感器的灵敏度和准确度，研究人员将敏感层技术应用于传感器的设计中。
敏感层可以增加传感器对压力变化的响应，并有效降低温度、湿度等外界环境的影响。
二、应用领域2.1 工业控制半导体压力传感器广泛应用于工业控制领域。
在制造过程中，通过监测和控制压力变化，可以保证设备的正常运转，提高生产效率和安全性。
半导体压力传感器可用于汽车制造、化工、机械、电子等行业中的压力控制和检测。
2.2 医疗保健在医疗保健领域，半导体压力传感器被广泛用于测量人体内部压力，如心脏和呼吸系统。
通过监测这些压力变化，医生可以提前发现疾病和异常情况，并及时采取措施。
2.3 环境监测随着环境污染程度的不断加剧，环境监测变得尤为重要。
半导体压力传感器可用于测量大气压力、液位以及水压等指标，帮助保护环境和提升生活质量。
2.4 汽车工程半导体压力传感器在汽车工程领域具有广泛的应用。
它可以用于监测车辆轮胎的胎压、制动系统的压力以及涡轮增压器的气压等。
通过实时监测这些参数，车辆的性能和安全性能得到了显著提升。
三、未来发展未来的半导体压力传感器将更加便携、微型化和智能化。
随着科技的不断进步，传感器的体积将进一步缩小，从而应用于更多领域。
同时，通过与其他传感器的融合，半导体压力传感器将具备更强大的功能，如智能控制、自适应调节等。
半导体压阻式传感器-投入式液位计
知识准备
• 一,压阻式传感器基本概念与分类 • 一.压阻效应 • 当固体材料在某一方向承受应力时,其电阻率（或电阻值）
发生变化地现象,叫压阻效应。 • 二.半导体压阻效应 • 半导体（单晶硅）晶片受到外力作用,产生肉眼无法察觉
• （一）体型半导体电阻应变片 • 一．结构形式及特点 • 体型半导体应变片是从单晶硅或锗切下薄片制成。主要优
点是灵敏系数大,横向效应与机械之后极小;温度稳定与线 度比金属电阻应变片差地多。
• 二．测量电路
• 半导体应变电桥地非线误差很大,故半导体应变电桥除了 提高桥臂比,采用差动电桥等措施外,一般还采用恒流源
（通常叫硅杯）。在硅膜 • 片上,利用集成电路工艺制 • 作了四个阻值相等地电阻。 • 硅膜片地表面用SiO二薄膜 • 加以保护,并用铝质导线 • 做全桥地引线
• 硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘贴在热胀冷缩系数相近地玻 璃基板上。将硅杯与玻璃基板紧密地安装到壳体,就制成 了压阻式压力传感器
压阻式固态压力传感器地隔离,承压膜片
隔离,承压 膜片可以将腐 蚀地气体,液体 与硅膜片 隔离 开来。
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13压阻式固态 压力传感器 内 Nhomakorabea结构信号处理电路
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小型压阻式固态压力传感器
低压气口
高压气口
绝对压力传感器
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小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸,透析与注射泵设备用地压力传感器
p一气管
• 一.实训原理 • 压阻式压力传感器是利用单晶硅地压阻效应 • 二.实训器件与单元 • 本实训项目需用器件与单元:压力源,压力表,压阻式压力传
浅析半导体压阻式传感器的应用
科技资讯2017 NO.03SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程39科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 生活中有很多事物都应用着传感器来进行测量数据,例如:常常见到的火灾预警系统便是应用传感器最频繁的。
火灾预警系统中的传感器要感应烟雾浓度、一氧化碳浓度、温度等因素才能正确地对火灾进行预警。
现如今,经过多方面的改进,将原有的普通传感器加以改进,提升为半导体压阻式传感器,这样的传感器能够根据细微的变化做出解果,整体对于数据的计算更加精准、灵敏、便捷。
1 半导体压阻式传感器的原理这类传感器应用的是通过改变电阻的大小来实时监测数据。
首先,所用的半导体材料大部分都使用单晶硅这种材料,这类材料经过稍微碰触,就会对电阻的大小产生相应影响,通过测量精准的电路数据便可测出所要检测的数据。
这里所应用的单晶硅的密度较小,在经过外界触碰时,单晶硅的内部结构会发生细微变化。
虽然这些变化人眼无法正确分辨,单用精准的仪器测量时,产生的数据既直观又准确,为传感器的革新做出了很大贡献。
运用这类半导体压阻式传感器进行检测,精准、快速、数据化的特点为很多工作带来便捷的效果。
2 应用半导体压阻式传感器的优点2.1 更加精准与灵敏半导体压阻式传感器的一大显著优点便是它在测量数据时更加灵敏。
通过应用半导体的特性来测量数据,少去了外界施加的因素,在测量的精准度上又提高了一层。
而且,半导体的密度发生了改变,引起其作为电阻的电阻数量发生改变,而在计算数据时不仅是密度方面还是电阻方面都有一个确定的公式进行计算,再通过微积分等高等数学公式进行推算,既能算出要测量的数值,也能够计算出整个传感器的灵敏度,使得测量的数据更加精准。
2.2 更稳定首先这类压阻式传感器应用的电阻不是普通的电阻,一般的电阻会随着温度的改变而改变,这在测量数据时还要根据温度的变化进行推算,不仅容易出现误差,而且很麻烦。
半导体材料在压力传感器中的应用研究
半导体材料在压力传感器中的应用研究导言：近年来，随着科技的飞速发展和工业自动化的进一步推广，压力传感器作为一种重要的工业检测设备，在各个行业中起着举足轻重的作用。
半导体材料作为一种关键的技术基础，其在压力传感器中的应用研究成为了当前研究的热点之一。
本文将对半导体材料在压力传感器中的应用研究进行探讨，并对其特性和未来发展进行展望。
一、压力传感器的基本原理压力传感器是一种用来测量物体受到的压力并将其转换为电信号的装置。
其基本原理是通过测量受力物体的应变，进而转化为电信号输出。
而半导体材料由于其特殊的电学性质和机械特性，使其成为理想的压力传感器材料。
二、半导体材料在压力传感器中的应用1. 压阻式传感器压阻式传感器是压力传感器的一种常用形式，其基本原理是通过压缩感应材料的电阻变化来测量压力。
半导体材料在压阻式传感器中的应用广泛，其中最常用的材料是硅和硅化物。
硅片作为半导体材料，具有优异的机械性能和电学性能，因此被广泛应用于压阻式传感器中。
通过在硅片表面加工微小的压力感应结构，当外界施加压力时，结构发生微小变形，进而导致硅片电阻的变化，从而实现对压力的测量。
2. 压电式传感器压电式传感器是另一种常见的压力传感器形式，其基本原理是利用压电效应将机械能转化为电能。
半导体材料在压电式传感器中的应用也愈发重要，其中压电薄膜材料是最常用的选择。
压电薄膜材料由于其优异的机械振动特性和电学响应特性，使得它成为压电式传感器的理想材料之一。
通过在半导体材料上包覆薄膜压电材料，当外界施加压力时，压电材料会产生电荷，从而实现对压力的测量。
三、半导体材料应用的特性分析1. 高灵敏度半导体材料由于其电学性能的特殊性，使其在压力传感器中具有高灵敏度。
微小的压力变化可以引起半导体材料电学特性的相应变化，因此，半导体材料能够准确地测量微小的压力变化，满足高精度的压力测量需求。
2. 宽工作范围半导体材料在压力传感器中具有宽工作范围的特点。
半导体压阻式传感器 ——在液位测量上的应用课件
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投入式液位计液位的计算：
安装高度h0处水的表压 p1=gh1
h=h0+h1=h0+p1 /（g）
例：液位计安装高度为1m，测得压力 为98kPa，求水的深度。
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有的传感器采用较大内孔和法兰连接方式，适用于
非密封场合，尤其是具有粘稠或浆状介质等特性的
液体，或富含颗粒类介质的测量，不易堵塞，便于
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压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压 膜片可以将腐 蚀性的气体、 液体与硅膜片 隔离开来。
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压阻式固态 压力传感器 内部结构
信号处理电路
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小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
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小型压阻式固态压力传感器（续）
什么叫压阻效应？
在半导体材料上施加一作用力时，其电 阻率将发生显著的变化，这种现象称为压阻 效应。
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（二）什么是扩散硅压力传感器
利用压阻效应原理，采 用三维集成电路工艺技术及 一些专用特殊工艺，在单晶 硅片上的特定晶向，制成应 变电阻构成的惠斯顿检测电 桥，并同时利用硅的弹性力 学特性，在同一硅片上进行 特殊的机械加工，集应力敏 感与力电转换检测于一体的 这种力学量传感器，以气、 液体压强为检测对象，也称 为固态压阻传感器 。
变化，对于温度的影响可以进行补偿。对于零位温漂，
可以 串、并联电阻进行补偿；对于灵敏度温漂可以串
联二极管进行补偿串联。PPT学习交流
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（三）常见的商用扩散硅压力变送器
压阻式传感器
压阻式传感器
一、 压阻式传感器的工作原理
由前述可知，压阻效应的数学描述可用公式表示如下：
R R
（1-25）
式中，π是压阻系数，是表征固态材料压阻效应的特性参数。不同
材料的压阻系数不同，而且各向异性的同一材料在不同方向其压阻系数
也各不相同，所以有
R R
r r
tt
（1-26）
式中，σr、σt分别为纵向应力和横向应力（切向应力）；πr为纵向
压阻式传感器
图1-16所示为一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传 感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和 控制汽车发动机的性能及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵 器方面的测量。
图1-16 脑压传感器结构图
压阻式传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
扩散型压阻式压力传感器属于半导体应变片传感器，它是直 接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，而不是用黏结剂将敏感栅粘贴 在弹性元件上。
压阻式传感器
由于闭环压阻式加速度 传感器采用力平衡工作方式 弹性硅梁没有过大的挠度， 因而有利于提高动态频响特 性和改善线性。它还具有自 检功能。闭环压阻式加速度 传感器的特点是精度高，动 态范围大，结构复杂，质量 和尺寸都相对较大，成本也 较高。
图1-18 闭环压阻式加速度传感器结构原理图 1—硅梁组件； 2—力矩器线圈； 3—壳体； 4—下磁路组件； 5—插头座； 6—压阻电桥； 7—力矩器磁钢
图1-17（a）所示为扩散型压阻式压力传感器的结构简图， 其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置四 个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆 环（硅环）固定，如图1-17（b）所示。膜片的两边有两个压力 腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般 与大气相通。
《现代测试技术》实验
本课程主要使用金属箔式电阻应变片、电容式传感器发、霍尔式传感器、电涡流式传感器四种传感器，以及实验公共电路模块和四种相应的传感器实验模块。
实验公共电路模块：提供所有实验中所需的电桥、差动放大器、低通滤波器、电荷放大器、移项器、相敏检波器等公用电路。
应变式传感器实验模块（包含电阻应变及压力传感器）：金属箔式标准商用称重传感器（带加热及温度补偿）、悬臂梁结构金属箔式、半导体应变、MPX扩散硅压阻式传感器、放大电路。
电容式传感器实验模块：同轴式差动电容组成的双T电桥检测电路，精密位移导轨。
霍尔传感器实验模块：霍尔传感器、梯度磁场、变换电路及日本进口高精度位移导轨。
电涡流传感器实验模块：电涡流探头、变换电路及日本进口精密位移导轨。
常用信号的观察实验目的1．了解常用信号的波形和特点。
2．了解相应信号的参数。
3．学习示波器的使用。
实验内容1. 观察常用信号：(1) 正弦波；(2) 方波；(3) 三角波；(4) 锯齿波；(5) y=sin(nx)·sin(mx)。
2. 用THBCC-1实验平台产生波形信号，利用示波器测量信号，读取信号的幅值与频率，绘制信号波形。
实验设备和工具1．THBCC-1型信号与系统、控制理论及计算机控制技术实验平台，如图3所示；2．双踪示波器，或者用已安装的相关软件、串口通信线1根。
图3 THBCC-1型实验平台实验原理波形发生器可以给出希望的标准波形信号，是信号分析与处理实验中不可或缺的实验仪器。
信号的描述可以是数学表达式也可以是函数图形，即信号波形。
示波器是显示信号波形的一种实用仪器，利用示波器可以方便地显示波形的幅值与频率(周期)，也可以方便地进行不同波形的比较。
实验要求1. 正确认识实验仪器设备的功能与使用方法。
2. 正确观察、记录实验数据与曲线。
3. 正确进行相关理论分析。
4. 实验报告完整无误。
主要包括：实验仪器设备的使用、实验数据与曲线、理论分析、回答思考题、总结收获。
半导体压阻式传感器 ——在液位测量上的应用27页PPT
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
半导体压阻式传感器 ——在液位测量 上的应用
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
半导体压阻式传感器
▪ 在硅梁根部集成4个应变片构成压阻桥 （其布置与电桥相似）。
3.2.2 加速度测量原理
▪ 当传感器装在被测物体上随之运动时， 传感器具有与被测件相同的加速度。
▪ 质量块按牛顿定律（第二定律）产生力 作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受 应力作用而引起其电阻值变化。
R Rl RS R
lS
2.2 料而言， 较大，而 S 和 l
很小。电阻相对变化率主要取决于电阻率的相
对变化。
R (1 2) E (1 2 E)
R
R
K R 1 2 E
3 半导体压阻式传感器应用
▪ 压阻效应被用来制成各种压力、应力、应 变、速度、加速度传感器，把力学量转换 成电信号.
▪ 用于压力、拉力、压力差和可以转变为力 的变化的其他物理量（如液位、加速度、 重量、应变、流量、真空度）的测量和控 制。
3.1 扩散型压阻式压力传感器
▪ 扩散型压阻式压力传感器可制成： ①硅杯式 ②硅梁式 ③硅柱式 ④片簧式
3.1.1 硅杯式结构
3.1.2 硅杯式变换器原理
▪ 硅杯式变换器是利用同一块硅材料制作 出硅膜片和支撑环。
3.2.2 输入输出关系
▪ 根据材料力学理论，可推算出悬臂梁根部应变
为 ▪
6ml a
Ebh 2
▪ m为质量块质量，l为质量块中心到悬臂梁根部 的距离，E为悬臂梁材料的弹性模量，b为悬臂 梁宽度，h为悬臂梁厚度，a为被测加速度。
▪ 将四个应变片电阻接成全电桥形式，则电桥的 电压输出值表征了物体的加速度。
▪ 半导体压阻效应的强弱用压阻系数π表征。
▪ 压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的
半导体固态压阻式传感器的工作原理
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生物医学传感器：压阻式传感器
R (1 2)
R
＝E
π为半导体材料的压阻系数; E为半导体材料的杨氏模量；
R (1 2 E)
R
对半导体材料而言，πE >>(1+2μ)，故(1+2μ)项可以忽略
R E
R
R E
R
半导体应变片的灵敏系数为
Ks
R /
R
E
半导体应变片的灵敏系数为50~200，而一般金属应变片只有1~4. 用半导体应变片制成传感器，可以获得高灵敏度、低机械滞后、体积 小等优点，但半导体应变片的缺点是温度误差较大。
灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压 阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。利用在电源回路中串联二极 管的方法进行补偿。
四、 应用
针型压阻式血压传感器的结构
半导体压阻式脉搏传感器结构
力敏传感器实用放大电路
二、 半导体应变片主要类型
1. 体型半导体应变片
体型半导体应变片的构成 (a)普通式 (b)补偿式 (c)无底基式
2.扩散型半导体应变片
扩散式半导体应变片的构成
三、 测量及温度补偿电路
1. 恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化
1
I ABC
I ADC
I 2
电桥的输出为
1
1
U0
2
I
(RRRT)Fra bibliotekI(R 2
R
RT
)
IR
恒流源供电的全桥差动电路
恒压源供电电桥：
U0
U BD
R R RT
E
恒流源供电电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正 比，测量不受温度的影响。
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投入式液位传感 器安装方便，适应于 深度为 几米 至 几十 米，且混有 大 量 污 物、杂质的水或其他 液体的液位测量。
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三、相关技能
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
压阻式传感器ppt
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶 向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等， 给使用带来一定困难。
成正比，表明电桥的输出与电源电压的大小与精度都有关。
如RT≠0时，则Usc与RT有关，也就是说与温度有关，而且与温度 的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。
（2）恒流源供电
假设电桥两个支路的电阻相等，即
RABC RADC 2R RT
A R -R +RT
I R +R +RT
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力 敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导 体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上 用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压 阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线， 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
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。
1.1压阻效应
R (1 )
R
半导体电阻率
金属材料
材料
＝
l
lEe
l
现代测试技术领域的主角--半导体压阻式传感器
现代测试技术领域的主角--半导体压阻式传感器
魏金莲
【期刊名称】《内蒙古科技与经济》
【年(卷),期】2002(000)006
【摘要】传感器在生产和生活各个方面应用广泛,而半导体压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角.
【总页数】2页(P81-82)
【作者】魏金莲
【作者单位】包头钢铁学院高职院,内蒙古,包头,014014
【正文语种】中文
【中图分类】TN397
【相关文献】
1.基于半导体压阻传感器的脉搏信号采集系统 [J], 苏日娜;宋蜇存
2.半导体压阻式传感器的应用 [J], 陈颜军
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4.浅析半导体压阻式传感器的应用 [J], 徐艳华;马伟伟;苏燕;张建平
5.介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响 [J], 李博; 黄楠; 杨军; 秦海峰; 尹肖; 张兆晶
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现代测试技术领域的主角
——半导体压阻式传感器
魏金莲
(包头钢铁学院高职院,内蒙古包头 014014)
摘 要:传感器在生产和生活各个方面应用广泛,而半导体压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角。
关键词:半导体压阻式传感器;灵敏度;分辨率;半导体;传感器
中图分类号:T N397 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2002)06—0081—02
1 前言
计算机技术和自动化技术的飞速发展,使得各行各业都发行了巨大变化,随着计算机的进入,传统的测试仪器不断地更新换代向自动化程度更高的方向发展。
传感器作为采集信号的一次元件,已经进入了现代科学技术的各个领域。
从基础科学的研究到宇宙开发、海洋探测、航天、航海、航空、生物医学、健康管理、家用电器等工程技术的各个领域和我们日常生活的各个方面,传感器都得到了广泛的应用。
例如反映一个工厂各部分工作状态的调度监视装置,就需要众多的传感器。
监测各个车间的生产机械工作状态,如电动机的输出量、加工产品的质量、数量等。
航天方面,大家熟知的航天飞机,从牵引火箭到宇宙飞船,为了向地面指挥中心发出各种信息及测试的参数,所需的传感器多达几千个。
还有,在目前日益受到重视的环境监测与控制方面,以及健康管理方面,我们需要对人口密集地区的粉尘、噪音和各种有害气体及辐射性物质进行监测和控制。
特别是在生物医学方面,近年来为了使医生们能更准确、快速地诊断患者的病情,更好地进行临床监护,医生们就需要检测病人的血压、脉搏、脏腑状态、脑压、胃肠压等等参数,这些都离不开传感器。
2 传感器的地位和作用
近年来,自动控制技术、电子计算机技术的迅速发展已应用到生产和生活的各个领域,使国民经济的任何一个部分中需要提取的各种信息有可能通过计算机进行正确及时的处理。
但是,由于作为“感觉器官”的传感器技术跟不上计算机技术的协调发展,已出现了信息处理功能发达、检测功能不足的局面,直接影响了计算机的推广和应用,目前这个问题已引起了世界各国的高度重视,世界各国都在积极开发和发展传感器技术。
世界上一些工业发达国家用于传感器方面的研制投资在不断递增,特别是日本,把传感器技术作为第一位的技术来发展。
可以说,一个国家现代化水平是用自动化水平来衡量的,而自动化水平是由采用传感器的种类多少和质量来衡量的。
3 传感器的种类和性能
在传感器的种类中,用于非电量测试的传感器种类繁多,这一方面反映了传感器技术在新的技术革命中的活跃性,另一方面给选用传感器的用户带来了许多困难。
到底哪种传感器更适用,这就需要对于常用非电量测试的传感器作一个比较。
常用的非电量测试的传感器有:模盒电位计式、差动电感式、金属应变式、电容式、压电式以及新产品数字式和光导纤维传感器等等。
这些产品虽各有千秋,但也各有其不足之处。
如压电式传感器虽在高频振动的测试中有优越之处,但它的内阻抗高,给二次仪表带来了困难;同时,它对低频振动或单向静压中的动态测试也无能为力,因为它有一个电荷积累和损失问题。
又
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2002年第6期 内蒙古科技与经济
如,新型光导纤维传感器虽然其适用温区宽,不需要引入电量,绝对防爆;但它增加了一层信息转换,造成了系统的复杂性,增加了一次误差引入的机会。
在这种情况下,一种全新的产品——压阻式传感器应运而生。
4 压阻式传感器的优越性
压阻式传感器,由于不存在上述问题,而且自身还有许多优越的特性,所以它是非电量测试的最理想的一次元件。
4.1 灵敏度高
导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时,其电阻值亦将发生变化。
根据这种效应可将应变片粘贴于材料上,这样被测材料受到外力的作用产生的应变就会传送到应变片上,使应变片的电阻发生变化,通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小。
电阻值的计算公式为:
R= L
S
(1-1)
对(1-1)式求微分可得:
dR R =
d
+
dL
L
-
dS
S
(1-2)
引入压阻系数的概念和横向变形与纵向变形的关系,(1-2)式可改写为:
dR R =h +
dL
L
+2h
dL
L =hE + +2 =(hE+1+2 ) =K
其中 K=hE+1+2 (1-3)
K称为灵敏系为九。
对由金属作成的应变式传感器来讲,电阻率变化d / 很小,因而hE一般忽略。
金属应变式传感器的灵敏系数用K m表示。
表达式为:
K m=hE+1+2 ≈1+2 =1～2
而对由半导体作成的压阻式传感器来讲,d / 变化很大,dL/L和dS/S变化量很小,因此(1+2 )一般忽略。
故:半导体压阻式传感器的灵敏系数用K s表示。
表达式为:
K s=hE+1+2 ≈hE=50～100
由以上数量比较可以看出,半导体压阻式传感器的灵敏度比金属应变式传感器灵敏度高(50～100)倍,事实也证实了这一点。
一般半导体压阻式传感器满量程输出为100m V左右,而金属应变式传感器的满量程输出最多在15mV左右。
4.2 精度高
由于硅单晶具有很好的线性压阻系数,而且这种传感器实现了弹性元件与应变元件的一体化,不存在由于机械上的缺陷和应变粘贴时造成的迟滞和重复性误差,因此这种传感器容易做到很高的精度。
4.3 稳定性好
我们都知道,半导体的电阻随温度变化比较大。
但由于半导体压阻式传感器在芯片上采用了惠斯顿电桥,从工艺和外电路上对温度漂移进行了多种方法的补偿,有效地抑制了电阻的温度系数,使半导体压阻传感器的稳定性完全不亚于其他传感器。
目前半导体压阻式传感器的使用温区可达-40～+ 80℃。
4.4 体积小
由于半导体压阻式传感器采用集成电路工艺,把应变电阻桥集成在一个很小的硅片上,而且在不断地完善外壳封装技术,故此,这种传感器的体积可以做得很小。
而这是其他传感器很难做到的。
4.5 分辨率高,频响高,动态响应好
从理论上讲,半导体压阻式传感器的分辨率是无限的,但限于二次仪表的分辨能力,目前还无法做到。
在实际中,半导体压阻式传感器的分辨率是相当高的。
由于硅材料具有很高的刚性系数,且芯片的直径很小,所以半导体压阻式传感器的敏感膜片的固有频率很高。
同时半导体压阻式传感器的压力腔可长可短,因此它的动态响应非常好。
5 结语
综上所述,半导体压阻式传感器具有其它传感器无法比拟的优越性能,因此具有广阔的应用前景。
尤其是半导体压阻式传感器的一系列配套产品,可以作为计算机接口的电路,从而为计算机在很多领域的普及和应用起到了非常主要的作用。
〔参考文献〕
〔1〕 刘学军.检测与转换技术.北京:机械工业出版社,1995
收稿日期:2002年3月24日
82内蒙古科技与经济 2002年第6期 。