压阻式传感器经典课件

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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：
Uo
U R R RT
2. 测量电路
恒压源
U 0 UR /(R Rt )
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影
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。
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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、零位温 漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 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
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二、 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
r
3P 8h2
[(1
)r02
(3
)r 2 ]
t
3P 8h2
[(1
)r02
(1
3)r2 ]
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，灵 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。
2、投入式液位传感器
投入式液位传感器是一种测量液位的压 力传感器，基于所测液体静压与该液体 的高度成比例的原理，采用隔离型扩散 硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器， 将静压转换为电信号，再经过温度补偿 和线性修正，转化成标准电信号，一般 适用于石油化工、冶金、电力、制药、 供排水、环保等系统和行业的各种介质 的液位测量。
E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
R R
(1
2
l
E)
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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 R
l
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l
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
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
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。
r
3p 8h 2
[(1
)r02
(3
)r 2 ]
t
3p 8h 2
[(1
)r02
(1
3)r 2 ]
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，动态响应 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 应高，便于生产，成本低。
响。R为应变片阻值， ΔR为应变片阻值变化， ΔRt为环境 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ΔR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
采用N型单晶硅为传感器弹性元件，在它 上面直接蒸镀半导体电阻应变膜片。
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。
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、加速度和载荷等参数。
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。 返回
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压阻效应
R (1 2)
R
金属材料 半导体材料
半导体电阻率
＝
l
lE
l l
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；
温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移
VD
零
漂 扩散电阻值随温度变化
Rp
灵敏度漂移 压阻系数随温度变化
R1 R2 Rs
解决方法：
U
R3 R4
零 位 温 漂 串、并联电阻
灵敏度温漂 串联二极管
U0
串联电阻Rs起调零作用
并联电阻RP起补偿作用
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3 . 灵敏度温度补偿
补偿灵敏度漂移原理： 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，便 可达到补偿目的。 温度升高时，二极管压降降低，可使电 桥电源电压提高，关键是适当选择串联 二极管的个数。
三、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 r和切向应力 t ,可分别用下式计算:
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1. 测量电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化
I ABC
I ADC
1 2
I
电桥的输出为
U0 U BD
1 2
I
(R
R
RT
)
1 2
I
(R
R
RT
)
恒流源供电的全桥差动电路 IR
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。
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2.温度漂移及其补偿
1、用静压测量原理
当液位变送器投入到被测液体中某一深度时， 传感器迎液面受到的压力公式为： Ρ = ρ .g.H + Po
P 变送器迎液面所受压力，ρ被测液体密度 g 当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度
应用案例
1.游泳池
液位传感器是一种用来测水深的传感器，液位传感 器中使用得最多的就是投入式液位传感器，投入式液 位传感器具有体积小，精度高，便于安装的特点。近 年来游泳馆飞速发展，为了自动控制游泳池的水深和 确保游泳者的安全，我们可以使用投入式液位传感器。
压阻式传感器经典课件
• 一、 半导体的压阻效应 • 1 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 • 2 压阻式传感器的应用
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一 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， 这种效应称为压阻效应
半导体材料的压阻效应特别强。