压阻式传感器

Dz1(LM385)稳定电 压2.5V，作为传感器提 供1.5mA恒流的基准电 压， R2上电压也为2.5V （集成运放的输出电压
为有限值时，输入差模
电压趋于0，v＋→ v－）。
I2

2.5V 1.67k
1.5mA
恒压工作测压电路
TL499将电池的9V电压提升 为15V，经运放A4变为± 7.5V，＋ 7.5V作为电桥恒压 源， ± 7.5V并为Rp2供电
2.2 压阻式传感器
2.2.1 半导体应变片 2.2.2 压阻式传感器
2.2.1 半导体应变片
半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的。
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应：材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为该材料的压阻效 应 。有材料在某种程度上都呈现压阻现象，但半导体材料的这种效应特 别显著，能直接反映出微小的应变。
所以，压阻传感器使用时必须进行温度补偿。
（4）压阻式传感器的应用
压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力 传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化， 已有直径为0.8mm的压力传感器。
恒流工作测压电路
传感器为需恒流1.5mA驱 动的扩散硅绝对压力传感器。
用于制作半导体传感器的半导体材料主要有：硅、锗、 锑化铟、磷化铟、砷化镓等，其中最常用的是硅和锗。
扩散型压阻式传感器一般简称为：压阻传感器、扩散硅。
（2）扩散型压阻式传感器的组成和工作原理
① 组成： 扩散型压阻式传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件
是一个周边固定支承的硅敏感膜片，即硅压阻芯片，因形状象杯故名硅杯。 上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，经蒸镀金属电极及连线， 接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连 接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。 ② 工作原理：
零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值随
温度变化引起的。扩散电阻的温度系数因扩 散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异 而不一样。但工艺上难于做到四个 P 型桥臂 电阻的温度系数完全相同，则不可避免产生温度变化时，无外力作 用仍有电阻值的变化。
灵敏度温度漂移是因为压阻系数随温度变化引起的。温度升高 时，压阻系数变小，则灵敏度下降。
早期的硅压力传感器是半导体应变片式的，是金属应变片的延伸；是 利用半导体比金属高的灵敏系数，代替合金材料，把硅片或其制成的芯片 粘贴在弹性体上，但没脱离应变片的模式。70年代，采用集成电路技术研 制的扩散型压阻式传感器（或称固态压阻式传感器），克服了粘贴带来较 大的滞后和蠕变以及固有频率较低和集成化困难的缺点，而且把应变电阻 条和误差补偿、信号调整等电路集成在一块硅片上。
（1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理 （3）压阻式传感器的温度漂移 （4）压阻式传感器的应用
（1）半导体材料的压阻系数
材料电阻的变化为
R 1 2
R

对半导体材料， 1 2 ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化

可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即 R
半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载 流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。
半导体应变片的制作方法
1. 将半导体材料按所需晶向切割成片或条，
粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅
使用，称作“体型半导体应变片”。
2. 将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。
由于半导体材料的晶体各向异性，在应力作用下，晶格 变形，使能带结构变化，载流子浓度和迁移率变化，即硅半 导体的压阻效应与晶向有关。
影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和 环境温度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂 质浓度相同时，P 型硅的压阻系数比 N 型硅的（绝对）值高， 因此选 P 型硅有利于提高敏感器件的灵敏度。
半导体电阻应变片的测量电路
一般采用直流电桥电路，但须 采用温度补偿措施，如图所示。
2.2.2 压阻式传感器
半导体硅有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应。利用半导体硅的 压阻效应和集成电路技术制成的力传感器，具有灵敏度高、动态响应快、 工作温度范围宽、稳定性好、易集成化等一系列优点，因此应用日益广泛。
1 – 应变片 3 – 外引线 5 – 内引线
2 – 半导体敏感条 4 – 引线连接片
体形半导体应变片的结构形状
优点：尺寸、横向效应和机械滞后都很小，灵敏度高，频率响应 范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使 用，使测量系统简单，分辨率高。 缺点：温度系数大，测量较大应变时非线性比较严重。
压力控制电路
须将油压控制在4.0~5.0MPa范围内，对应A1的输出为3.33~4.17V。 A2 、A3为电平比较器，
Uo > 3.33V时， A2输出高电平；
Uo < 3.33V时， A2输出低电平；
Uo < 4.17V时， A3输出高电平；
百度文库
由半导体理论可知，硅和锗的纵向电阻率的相对变化
R

L
LE
πL ——沿晶向L的压阻系数（m2／N）；σ——沿晶向L的应力（N／m2）； E ——半导体材料的弹性模量（N／m2）；ε——轴向应变。
半导体材料的应变灵敏系数
R
KB
R

LE
如半导体硅，πL =（40~80）×10-11 m2／N，E = 1.67×1011N／m2 ，则 KB = 50~100。远比金属应变片灵敏系数 K = 2 大得多。
当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻 的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜 片所受压力差值。
(a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。
（3）压阻式传感器的温度漂移
由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化 影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。