电阻式压力计.

薄膜型半导体应变片
这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘 层的试件上或蓝宝石上制成的。它通过改变真空沉积时衬底的温度 来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。 因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变片。薄膜型 半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片的优点，并避免了 它的缺点，是一种较理想的应变片。[2]
a 单臂桥路
电桥的电压为：
R2 R3 R1R4 U0 U ( R1 R2 )(R3 R4 )
当无压力信号时，电桥处于初始 平衡态，此时有：
R2 R3 R1R4 0
当有压力信号时应变片发生应变，此时电桥输出电压为：
U0
（R2 R2）R3 R1 R4 ( R3 R4 )(R2 R2 ) U U R R R2 ( R1 R2 R2 )(R3 R4 ) (1 1 )(1 3 ) R2 R2 R4
K
R R

1 2


(3)机械滞后。在一定温度下，应变从零到一定值之间变化， 测出应变片电阻相对变化率，会出加载和卸载的特性曲 线，则两条曲线最大的差值称为机械滞后。
（4）蠕变和零漂。在一定温度下，粘好的应变片 在一定的机械应变长时间作用下，指示应变随时间 的变化称为蠕变。零点漂移是指粘好的应变片在一 定温度和无机械应变时，指示应变随时间的变化。
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[1]张华，赵文柱主编《热工测量仪表》，冶金工业出版社，北京，2006。 [2]袁希光主编：《传感器技术手册》，国防工业出版社，北京，1986。
3p 2 r 2 [r0 (1 ) r 2 (3 )] 8h 3p 2 2 [r0 (1 ) r 2 (1 3 )] 8h
式中 ςr,ςσ——半导体应变片呢所承受的径向、切向应力，Pa; h ——硅膜片厚度，m; r0——膜片工作半径，m; r ——应力作用半径，即电阻距硅膜片半径的距离，m; μ——泊松比，硅的μ=0.35。
与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如下特点： （1）稳定性好。 （2）使用寿命长。 （3）量程大、灵敏度高。 （4）温度系数小。 （5）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片的工作 温度达到 -100~180℃ （6）成本低。
3.3.2.3 常用测量电路
A 转换电路 a 单臂桥路； b 半桥差动电路； c 全桥差动电路；
3.3.2
[1] 电阻式压力计
电阻式压力计特点：
1.灵敏度高、测量范围广、频率响应快。 2.既可用于动态测量，又可用于静态测量。 3.结构简单，尺寸小，重量轻，易于实现 小型化和集成化。 4.能在低温、高温、高压、强烈振动、核 辐射和化学腐蚀等各种恶劣环境下可靠 工作。
3.3.2.1
测量基本原理
d 特点
（1）体积小，结构简单，易于微小型化；
（2）半导体应变片的灵敏度高，是金属应变片的50~70倍；
（3）测量范围宽，即可测量低压也可测量高压； （4）响应时间可达10-11s数量级，动态特性较好；
（5）工作可靠准确度高；
（6）重复性好，频带较宽； （7）由于压阻系数和体电阻值都有较大的温度系数，压阻式 压力计易产生温漂； （8）在使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。
作用下发生机械形变，其电阻值随机发生变化的现象，叫应变效应。
（ 2）


,它是由电阻率变化引起的。这种固体受到压力作用后，其
晶格间距发生变化，电阻率随压力变化的现象成为压阻效应。
3.3.2.2 电阻应变片
（1）金属电阻应变片（以应变效应为主） （2）半导体应变片（以压阻效应为主） （3）薄膜应变片
B 半导体应变片
用于生产半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、 磷化镓砷化镓等，硅和锗由于压阻效应大，故多作为压 阻式压力计的半导体材料。
半导体应变片按结构可分为： 1.体型应变片； 2.扩散性应变片； 3.薄膜型应变片。
扩散型半导体应变片
这种应变片是将 P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一 层极薄的P型导电层,然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成。 它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般 体型半导体应变片小一个数量级。缺点是由于存在P-N结，当温度 升高时,绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件 硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。[2]
B 温度补偿
应变片电阻受环境温度的影响很大，其原因主要有：
（1）应变片具有一定的温度系数； （2）应变片材料与试件材料的线膨胀系数不同。
为消除误差，可采取多种补偿措 施。最常用的方法是电桥补偿法 和热敏电阻补偿法。
3.3.2.4 性能指标
（1）应变片的电阻值(R0)。 （2）灵敏系数（K）。 通常把单位应变所引起的电阻相对变化成为应变片 灵敏系数。目前，各种材料的灵敏系数都是由实验获得 的，其计算公式为：
B 压阻式压力计
a 压阻效应
如果我们沿所需的晶轴方向（压阻效应最大的方向）将半导体切成小条 制成半导体应变片，让其只沿纵向手里，则作用应力与半导体电阻率的 相对变化关系为
Hale Waihona Puke Baidu


式中 π——半导体应变片的压阻系数，Pa-1;
ς——纵向方向所受应力，Pa
由胡克定律可知：
E
，说明电阻变化率正比于其所受纵向应变。
金属导体或半导体材料制成的电阻体，其阻值可表示为：
L Rρ A
式中 ρ—电阻的电阻率，Ω·m; L—电阻的轴向长度，m; A—电阻的横向截面积，m2;
当电阻丝在拉力F的作用下，长度、截面、电阻率 均会发生变化，这些都会引起电阻的变化，其相 对变化量为： R L A R L A
U R2 U0 2 R2
c 全桥差动电路
若满足R1=R2=R3=R4, △R1= △R2= △R3= △R4,则可以导出，差 动双臂工作电桥输出电 压为
R2 U0 U R2
可见，全桥差动电路的电压灵敏度高，是单臂工作电桥的4倍， 为半桥差动电路的2倍，当负载无穷大时，全桥电路没有非线性 误差。
U R2 U0 4 R2
U 此时电桥电压灵敏度KU为： K U 4
在上面的分析中，都是假定应变片参数变化很小，可忽略 R2 的影响，由此而引进的相对非线性误差为
R2
R2 2 R2
b 半桥差动电路
若满足R1=R2、△R1=△R2、R3=R4,则可以导出，差动双臂工作电桥 输出电压为
（半导体应变片）
（无基底的半导体应变片）
C 薄膜应变片
a 结构和原理
1-引线；2-电极；3-敏感膜； 4-绝缘层；5-基片
薄膜应变片在外力作用下，一方面材料发生几何形变 引起材料的电阻发生变化；另一方面，因材料晶格变形等 因素引起材料的电子自由程发生变化，导致材料的电阻率 变化，从而使材料的电阻发生变化。
则


E
则应变片灵敏系数为：
K 1 2 E
对于半导体应变片，压阻系数π很大，约为50~100，故半导 体应变片以压阻效应为主，其电阻的相对变化率电阻率的相 对变化。
b 结构
c 工作原理
硅膜片是各向异性材料，它的压阻效应大小与作用力方向有关， 所以在硅膜片承受外力时，必须同时考虑其纵向（扩散电阻长度 方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）的压阻效应。 设均匀分布在硅膜片上的压力位p,则膜片上各点的应力与其半径 r的关系如下：
b.材质
材料选择一般应同时兼顾一下几个方面的要求： 1.应变片灵敏系数K要大，且在较大范围内保持K为常数； 2.电阻温度系数要小，有较好的热稳定性； 3.电阻率和机械强度要高，工艺性能要好，易于加工成细丝及便 于焊接等。
常用的金属电阻应变片材料有：适用于300℃以下的静态测量的 康铜、铜镍合金；适用于4580℃以下静态测量或800℃以下动态 测量的镍铬合金和镍铬铝合金。
A.金属电阻应变片（丝式、箔式、薄膜式）
a.种类与结构
基底的作用：
（1）支持敏感栅，使它保持一定的几何形状； （2）将弹性体的表面应变准确的传送到敏感栅上； （3）使敏感栅与弹性体之间相互绝缘。
覆盖层的作用：保护敏感栅避免受外界的机械损伤， 并防止环境温度、湿度的侵扰。
引线用来链接敏感栅和测量仪器。
A r L 2 2 A r L
式中，μ—电阻材料的泊松比
电阻轴向长度的相对变化量成为应变，一般用ε表示，
L 即 ，则电阻的相对变化量可写成： L R (1 2 ) R
由上式可知，电阻的变化取决于以下两个因素： （ 1）
(1 2 ) ,它是由几何尺寸变化引起的。这种电阻丝在外力
n R1 R2 ，略去分母中的 R2 R2 ，并考虑到电桥初 始平衡条件 R1 R2 R3 R4 ，可得
设桥臂比
n R2 U0 U 2 (1 n ) R2
定义电桥电压灵敏度为KU为：
U0 n KU U 2 R2 R2 (1 n)
可知n=1时，即R1=R2,、R3=R4时，电桥灵敏度最高，实际上多取 R1=R2,=R4=R4，则可得n=1时单臂工作电桥输出电压为
注意：二者都是用来衡量应变片的时间稳定性的，但各自工 作条件不同
（5）绝缘电阻。 （6）最大工作电流。允许通过应变片而不影响其 正常工作特性的电流值，称为最大工作电流。
3.3.2.5 典型电阻式压力计
A 应变片式压力计
应变片压力计优点：结构简单、使用方便、工艺成熟、价格便 宜、性能稳定可靠、测量速度快、适合静态和动态测量等。