传感器技术及应用 (4)

半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于 半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴 向受外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为
dR
d
R (1 2)
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体
敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为
引线
基本结构：由敏
覆盖层 基片
感栅、基片、覆
盖层和引线等部
分组成。敏感栅
b
有丝式（电阻丝
直径
0.01~0.05mm）、
箔式（金属箔栅 厚度 0.003~0.01mm）
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
两种形式。
图5-2 金属电阻应变片的结构
敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。 敏感栅 合金材料的选择对所制造的电阻应变计性能的好坏起着决定性的 作用。
dl
l
dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半 径，微分后可得dA=2πr dr，则
dA 2 dr Ar
由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸 长， 沿径向缩短， 令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，那么轴 向应变和径向应变的关系可表示为
dr dl
电阻丝具有电阻温度系数小，稳定性良好，电阻 率大的特性。并且电阻丝的相对灵敏度要大。
箔式应变片
用光刻法代替丝式应变片的绕线法。
在厚度为3~10um的金属箔底面上涂绝缘胶层作为应变 片的基地。在箔片上涂一层感光胶剂。将敏感栅经过照 相印晒到箔片的感光胶剂上，在经过腐蚀制成条纹清晰 的敏感栅。
箔式应变片与丝式应变片相比具有下列优点：
r
l
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
或
dR
d
R (1 2)
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为
dR
d
K R 1 2
灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发 生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数 表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，而半导体材料的(dρ/ρ)/ε 项的值比1+2μ大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。
E为弹性模量
d E
代入上式中得
dR (1 2 E)
R
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导 体应变片的灵敏系数为
dR
K R E
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍， 但半导 体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范 围受到一定的限制。
➢ 电阻应变片简称应变片，是一种能将试件 上的应变变化转换成电阻变化的传感元件， 其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变 效应。
➢ 所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝） 的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改 变的一种物理现象。
➢ 原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率 与其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械 变形的过程中，它们都要发生变化，因而 引起金属丝的电阻变化。
电阻应变式传感器的应用：测力
R L/ A
l
l
F
F
r
r
图5-1 金属电阻丝应变效应
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面积相应减小 ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引 起电阻值相对变化量为
dR dl dA d R l A
式中：dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为
第5章 应变式传感器
5.1 工作原理 5.2 应变片的种类、材料及粘贴 5.3 电阻应变片的特性 5.4 应变式传感器的测量电路 5.5 应变片的温度误差及补偿变片工作原理是基于金属导体的 应变效应，即金属导体在外力作用下发生机 械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸 长或缩短)的变化而发生变化。粘贴应变片 于弹性元件特定表面上，当力、速度、扭矩 等物理量作用于弹性元件时，导致弹性元件 应力和应变的变化，进而引起应变片电阻变 化。
粘结剂——在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结 于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面 的被测部位，因此它也起着传递应变的作用。
金属电阻应变片的种类
丝式电阻应变片、箔式电阻应变片和 半导体式应变片
电阻丝式应变片
是由丝栅状的金属丝组成的，有U、V、H型等多 种形状，电阻丝是应变片受力后引起电阻值变化的关 键部件，它是一根具有很高电阻率的金属细丝通常为 0.01~0.05mm。
a.制造工艺能保证线栅的尺寸正确，线条均匀，大批生产 时电阻值离散度小，能制成任意形状以适应不同的测量要 求。电阻线栅的基长可做得很小（最小的目前已达 0.2mm）；
b.横向效应很小；
c.允许电流大;
d.柔性好、蠕变小、疲劳寿命长。可贴在形状复杂的试件 上,与试件的接触面积大，粘接牢固，能很好地随同试件 变形，在受交变载荷时疲劳寿命长，蠕变也小。
基底——固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘；应 变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用， 为此基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。常用的基底材料
引线——连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。 一般要求引线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。
盖层——保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化。
用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用 下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化 量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的 关系，得到应力值σ为
σ=E·ε
5.2 应变片的种类、材料及粘贴
5.2.1 金属电阻应变片的种类
e.生产效率高。便于实现生产工艺自动化，从而提高生产 率，减轻工人的劳动,价格便宜。
胶膜衬底 P-Si
内引线
外引线
焊接板
半导体式应变片
是以单晶硅条做敏感元件。半导体式应变片的使 用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元 件或被测体上，随被测试件的应变其电阻值发生 相应变化。