压阻式传感器

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传 与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。

3)目前,在以大规模集成电路技术和计算机软件 技术介入为特色的智能传感器技术中,由于它
器 能做成单片式多功能复合敏感元件构成智能传 感器,倍受欢迎。
4

13
章 压 阻 式 传 感 器
5
第 压阻效应:
13

R l
s
压 阻
R l s
R
l
s

1 2

Y(2)

X(1)
Z(3)
9

晶面表示方法
13

z

截距式:
t
阻 x y z 1 式r s t
ps
y

r,s,t-x,y,z轴的截距
r
感 法线式:
x
器 x cos y cos z cos p
法线 长度
cosα,cosβ,cosγ-法线的方向余弦
10

密勒指数
13

x cos y cos z cos 1
器 向生成电阻,组成电桥,并利用硅的力学特性,在
同一硅片上进行特殊的机械加工,制成集应力敏感
与力电转换于一体的力学量传感器。
2

压阻式传感器分类
13
章 ➢粘贴型压阻传感器:半导体应变片
压 ➢ 固态压阻传感器(扩散型压阻传感器):应变电 阻 阻与硅基片一体化




半导体应变片
3
固态压阻传感器

应用情况
能带结构变化

7

压阻式传感器的特点
灵敏度高: 13
硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50~100倍,故

相应的传感器灵敏度很高,一般满量程输出为100mv左右。因此对接
口电路无特殊要求,应用成本相应较低。
压 分辨率高: 小量程对应高分辨率。
百度文库
阻 体积小、重量轻、频率响应高:芯体采用集成工艺, 无传动部件,体积小,重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数,
代替)

h, k , l •表示晶面


h, k , l •表示晶面簇
感 ✓对立方晶体来说,<h,k,l>晶向是(h,k,l) 器 晶面的法线方向;
✓{h,k,l}晶面簇的晶面都与(h,k,l)晶面平行。
12

例:
13

z

1

1
y
z 4
-2
y x

1
-2
传 x •晶向、晶面、晶 •晶向、晶面、晶

h2 k2 l2

C
i
k1
l1 j h1
l1 k h1
k1
k2 l2
h2 l2
h2 k2
16
第 例:求与两晶向都垂直的第三晶向
13

压 已知:A 110
B 001

已知:
A
111
B 110


i
jk
C A B 1 1 0

001

10 10 11
i
j
k
01 01 00
17 1 1 0
压 2)半导体压阻效应:半导体(单晶硅)晶片受到外
阻 力作用,产生肉眼无法察觉的极微小应变,其原子 结构内部的电子能级状态发生变化,从而导致其电
式 阻率产生剧烈的变化,表现在由其材料制成的电阻
传 器阻值发生极大变化。

3)固态压阻传感器:利用压阻效应原理,采用集成 电路制作等一些特殊工艺,在单晶硅片上沿特定晶
p
p
p

x y z 1

rst
cos : cos : cos 1 : 1 : 1

r st
传 取1 :1 :1 h:k :l r st

三个没有 公约数的

密勒指数
整数
密勒指数:截距的倒数化成的三个没有公
约数的整数。(方向余弦比的整数化表示)
11

表示方式
13


h, k , l •表示晶向(逗号可以用空格

面族分别为:
面族分别为:

1,1,1
2, 2,1
1,1,1
2, 2,1
1,1,1
13
2, 2,1
第 例: (特殊情况)
13


z

0,0,1


感 1,0,0

x
0,1,0
y
14

判断两晶面垂直
13


•两晶向:A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:

定义: A B h1h2 k1k2 l1l2

i
jk
13

C A B 1
1
1

1 1 0

1 i
1 11 1
j
k
1

1 0 1 0 1 1
传 112


18

13
章 压 阻 式 传 感 器
19
§13.3 压阻系数
一、单晶硅的压阻系数
3

敏感元件的固有频率很高。在动态应用时,动态精度高,工作频带宽, 合理选择设计传感器外型,使用带宽可以从静态至100千赫兹。
传 受温度影响大: 须温度补偿、或恒温使用。

由于微电子技术的进步,四个应变
电阻的一致性可做的很高,加之计

算机自动补偿技术的进步,目前硅
压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传

第13章 压阻式传感器
13
章 主要内容:
压 1)压阻式传感器的工作原理—

半导体压阻效应
式 2)压阻系数、阻值变化的计算
a、压阻系数与任意方向阻值变化的计算

b、晶向与密勒指数
感 3)典型压阻式传感器原理分析
器 4)温度漂移及其补偿
1

§13.1 概述
13

1)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)发生变化的现象。

E

器 压阻系数 应力 应变E-弹性模量
R E 1 2
R
6
第 对半导体: 401011 ~ 801011m2 / N
13

E 1.671011 N / m2

K s E 50 ~ 100
阻 压阻效应的原因:
式 应力作用
晶格变形

感 载流子浓度和迁移率变化

传 垂直: A B h1h2 k1k2 l1l2 0

器 不垂直: A B h1h2 k1k2 l1l2 0
15
第 求与两晶向都垂直的晶向
13


•两晶向:A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:

•晶向C <h3,k3,l3>与A、B都垂直,则:

i
jk

C A B h1 k1 l1
感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
8

§13.2 晶向的表示方法
13

基本概念:
压 1)半导体单晶硅是各向异性材料;

2)硅是立方晶体,按晶轴建立座标系; 3)晶面:表示原子或离子的分布形态。原子或离
式 子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;

4)晶向:单晶硅的受力或者电阻测量取向,为晶 面的法线方向。
13

1)开始研制于1960s。以气、液压力为检测对象, 与膜盒式、电感式、电容式、金属应变片式及

半导体应变片式传感器比较,技术上有明显优 势,目前仍是压力测量领域主要产品。
阻 2)由于各自的特点及局限性,它虽然不能全面取

代上述各种力学量传感器,但是,从八十年代 中期以后,在传感器市场上占有很大比例,并
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