压阻式传感器

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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。
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