压阻式传感器

3 压阻式加速度传感器
它的悬臂梁直接用单晶硅制成， 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻 扩散在其根部两面 。
扩散电阻 基座
a
质量块 应变梁
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体型半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为：
U∆R Uo = R +∆RT
2. 测量电路
恒压源
U 0 = U∆R /( R + ∆Rt )
电桥输出电压与∆R / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， ∆R为应变片阻值变化， ∆Rt为环境
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工作原理： 工作原理：
膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。
四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。
σ r=
3p [(1 + µ )r02 − (3 + µ )r 2 ] 8h 2 3p σ t = 2 [(1 + µ ) r02 − (1 + 3µ )r 2 ] 8h
第二节 压阻式传感器
• 7.2.1 半导体的压阻效应 • 7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿 • 7.2.3 压阻式传感器的应用
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7.2.1 半导体的压阻效应
固体受到作用力后，电阻率就要发生变化， 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这 种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。 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 响应高， 体积小。 它主要用于测量压力、 度和载荷等参数。 度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感， 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。 感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
2.差频压阻式压力传感器 2.差频压阻式压力传感器
A
R-C （P型） R-C f
（a）
（b）
<110> 硅晶片 R-C 网络 宽带放大
P
宽带放大 <110> <001>
f’ 频 率 综 合 f 器
（c）
（a）分布阻容网络； （b）相移振荡器； （c）差频振荡压阻 式压力传感器组合
差频压阻式压力传感器工作原理图
独立的相移正弦振荡器振荡频率为：
6 f = 2π RC
压力的变化 ：
∆f = f1 − f0 = f ( p)
在实际应用中， 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏 度和克服零点漂移， 度和克服零点漂移，一般都采用差频输 出的形式。 出的形式。也就是在选择适当的晶向和 扩散电阻的位置， 扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器 并连接宽带放大器和频率综合器， 并连接宽带放大器和频率综合器，将其 组合在一起构成差频压阻式压力传感器， 组合在一起构成差频压阻式压力传感器，
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对半导体材料而言，πl E >>(1+µ)，故(1+µ)项可以忽略
∆R = π l Eε = π l σ R
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率ρ的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示
K=
∆R / R
ε
= π lE
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小
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压阻效应
∆R ∆ρ = (1 + 2 µ ) ε + ρ R
金属材料 半导体材料 ∆ρ ∆l ＝πlσ = πl E ρ l
半导体电阻率
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
∆R = (1 + 2 µ + π l E )ε R
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1. 测量电桥
假设∆RT为温度引起的电阻变化
I ABC = I ADC = 1 I 2
电桥的输出为
U 0 = U BD = 1 1 I ( R + ∆R + ∆RT ) − I ( R − ∆R + ∆RT ) 2 2 = I∆R
恒流源供电的全桥差动电路
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。
温度变化受环境温度引起阻值的变化
恒流源
U 0 = I ⋅ ∆R
电桥输出电压与∆R成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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（2） 扩散型压阻式压力传感器
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变ห้องสมุดไป่ตู้膜
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（3） 测量桥路及温度补偿
由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温 灵敏度温度系数和非线性等问题， 漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 准确性。 准确性。 减少与补偿误差措施
1. 测量电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿
3P σr = 2 [(1+ µ)r02 − (3 + µ)r2 ] 8h σ = 3P [(1+ µ)r2 − (1+ 3µ)r2 ] 0 t 8h2
优点：
扩散型压阻式压力传感器的主要优点就 是体积小、结构简单，动态相应好， 是体积小、结构简单，动态相应好，灵 敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高， 敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高， 性能稳定，成本低，便于批量生产。 性能稳定，成本低，便于批量生产。
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
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扩散型压阻式压力传感器 特点
优点: 体积小，结构比较简单， 优点 体积小，结构比较简单，动态响应 也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压， 也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压， 长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响 长期稳定性好，滞后和蠕变小， 应高，便于生产，成本低。 应高，便于生产，成本低。 测量准确度受到非线性和温度的影响。 测量准确度受到非线性和温度的影响。 智能压阻式压力传感器利用微处理器对 非线性和温度进行补偿。 非线性和温度进行补偿。
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7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿
（1）体型半导体电阻应变片
1. 结构型式及特点
2. 测量电路
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1. 结构型式及特点
主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
U0
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3 . 灵敏度温度补偿
补偿灵敏度漂移原理： 补偿灵敏度漂移原理： 温度升高时，灵敏度降低， 温度升高时，灵敏度降低，这时如果提 高电源电压，使电桥输出适当增大， 高电源电压，使电桥输出适当增大，便 可达到补偿目的。 可达到补偿目的。 温度升高时，二极管压降降低， 温度升高时，二极管压降降低，可使电 桥电源电压提高， 桥电源电压提高，关键是适当选择串联 二极管的个数。 二极管的个数。
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2.温度漂移及其补偿 2.温度漂移及其补偿 温度漂移
温度变化而变化，将引起零漂 灵敏度漂移 零漂和灵敏度漂移 零漂
VD
零
Rp R1 Rs R2 R4
漂
扩散电阻值随温度变化 压阻系数随温度变化 串、并联电阻 串联二极管
灵敏度漂移 零位温漂 灵敏度温漂
U
R3
串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用
7.2.3 压阻式传感器的应用
1. 扩散型压阻式压力传感器 2. 差频压阻式压力传感器 3. 压阻式加速度传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片 在膜片位移量远小于膜片的厚度时，受均匀压力的圆形硅膜 片上各点的径向应力σ r 和切向应力σ t ,可分别用下式计算: