压阻式传感器经典课件
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电阻式传感器精品PPT课件
6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
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概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
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R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
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敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
第2章-压阻式传感器(课件)
卸载
变
Δε
实验之前应将试件预先加、卸载 εi
若干次，以减少因机械滞后所产
加载
生的实验误差。
Δε1
机械应变ε
应变片的机械滞后
（五）零点漂移和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其 电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。
产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐 渐变化；粘结剂固化不充分等。
数β、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相 同； ② 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相 同，即要求两者线膨胀系数相等； ③ 两应变片处于同一温度环境中。
电桥补偿法
优点：
简单、方便，在常温下补偿效果较好
缺点：
在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作 片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影 响补偿效果。
R2 R1
补偿应变片粘贴示意图
当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调 整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即
USC AR1R4 R2R3 0
上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R′。
当温度升高或降低时，若ΔR1t=ΔR2t，即两个应变片的热 输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零
金属丝式应变片
引出线—与外部电路相连连接测量导线之用 覆盖层
基片—中间介质和绝缘作用 0.025mm电阻丝-栅状电阻 体-(敏感栅)
构成的应变片再通过黏结剂与感受 被测物理量的弹性体黏结。
金属电阻丝应变片的基本结构图
对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小， 可忽略
R (10
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
压阻式压力传感器PPT课件
38
4.1.2 常用压力检测仪表
特点：体积小，结构简单，工作可靠；测量精度较高；频 率响应高，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓 慢变化的压力和静态压力。
39
4.1.2 常用压力检测仪表
（5）电容式压力传感器
电容式压力传感器采用变电容测量原理，根据平行板电容器
30
4.1.2 常用压力检测仪表
分析：四片应变片接成全 桥。当没有压力作用时， 电桥是平衡的；当有压力 作用时，应变筒产生形变， 工作应变片电阻变化，电 桥失去平衡，产生与压力 变化相应的电压输出。
31
4.1.2 常用压力检测仪表
图4-11所示为平膜片式压力传感器结构，其上粘贴有如图412(a)所示的箔式组合应变片。
4
4.1.1压力的基本概念
压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和 控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低 耗及安全生产的重要环节。
1. 压力的定义
压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常 称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力 可表示为:
pF S
特点：比较简单，有较好的线性，但滑动触点会有磨损， 可靠性较差。
23
4.1.2 常用压力检测仪表
图4-6(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效 应。当压力为零时，因霍尔元件处于方向相反的两对磁极间 隙中的面积相等，故没有霍尔电势产生。当压力变化时，霍 尔元件被弹性元件自由端带动在磁场中移动而使其处在两对 磁极中的面积不相等，则霍尔元件在垂直于磁场和电流方向 的另两侧将产生霍尔电势，此输出电势与自由端位移大小对 应，即与被测压力值相对应。
它由弹性敏感元 件—测压波纹管、 杠杆、差动电容 变换器、伺服放 大器A、伺服电机 M、减速器和反 馈弹簧等元部件 组成。
第 十五 章 压阻式传感器
3
<011> <001> <011>
<010>
<010>
2
<011>
<001>
<011>
三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与杂质浓度的关系 、
P型Si（π44) 型 （
π11
或
π44
N型Si（π11) 型 （ 表面杂质浓度N 表面杂质浓度 s（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小 扩散杂质浓度增加， 扩散杂质浓度增加
分析
• • • • • • 正向压阻系数相等 横向压阻系数相等 剪切压阻系数相等 切应力不可能产生正向压阻效应 正向应力不可能产生剪切压阻效应 剪切应力只能在剪切应力平面内产生压 阻效应
压阻系数矩阵
0 0 π 11 π 12 π 12 0 π π 11 π 12 0 0 0 21 π 12 π 12 π 11 0 0 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 π 44 0
– π44 ≈0 ， π12 ≈ -1/2π 11、 ， 、
关于方向余弦
某晶向<x,y,z>的方向余弦为： 的方向余弦为： 某晶向 的方向余弦为
l= m= n= x x +y +z
2 2 2
= cos α = cos β = cos γ
y x +y +z
2 2 2
z x2 + y2 + z2
例1：计算（100）晶面内〈011〉 ：计算（ ）晶面内〈 〉 晶向的纵向与横向压阻系数
∴
压阻应变片式压力传感器28页PPT
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
压阻应变片式压力传感器
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
压阻式传感器 ppt课件
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
ppt课件
4
1.2 压敏电阻分类
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力 敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导 体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上 用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压 阻式传感器。
基座
扩散电阻
a
ppt课件
应变梁
14
质量块
5. 压阻式传感器的测量电路
5.1 压阻式传感器的测量电路
（1）恒压源供电
假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，两 个电阻的阻值增加，增加量为DR，两个电阻的阻值减小，减小量为 -DR；另外由于温度影响，使每个电阻都有DRT的变化量。根据图，
ppt课件
5
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，
最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体
应变片可分为6种。
①普通型:它适合于一般应力测量； ②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因 素自动抵消，只适用于特定的试件材料； ③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采 用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小； ④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧）,可接成电桥 以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。 ⑤超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域， 适用于大应变范围的场合； ⑥P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电 桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。
压阻式传感器ppt课件
传
r
法线式：
感
x
器 x cos y cos z cos p
法线 长度
cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦
10
ppt课件10
第
密勒指数
13
章
x cos y cos z cos 1
p
p
p
压
x y z 1 rst
阻
cos : cos : cos 1 : 1 : 1
阻
i
jk
式
C A B h1 k1 l1
传
h2 k2 l2
感 器
C
i
k1
l1 j h1
l1 k h1
k1
k2 l2
h2 l2
h2 k2
16 ppt课件16
第 例：求与两晶向都垂直的第三晶向
13
章
已知：A 110
B 001
压 阻
已知：
A
111
B 110
第
§13.3 压阻系数
13
章
一、单晶硅的压阻系数
压 阻 式 传 感 器
1
ppt课件19
3
σ33
σ31 σ13
σ32
σ12 σ21
σ11
σ23 σ22
2
19
第
材料阻值变化
13
章
广义：
＝E
压
•六个独立的应力分量：
阻
式
1, 2, 3, 4, 5, 6
传 •六个独立的电阻率的变化率：
传 4、P型硅和N型硅的区别是什么？
感 5、压阻系数受哪些因素的影响？
第8章：压阻式传感器
R s lp l s t p t s t p l s r p t R t
在 0 1 1 晶向，纵向和横向压阻分别系数为（R1所在晶向） 1 1 1 1 p l p11 p12 p 44 p 44 p p p p p 44 2 2 t 11 12 44 2 2 在<011>晶向，纵向和横向压阻系数为 （R2所在晶向）
8.3
压阻系数
应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。电阻 的相对变化与应力的关系如下式所示。在正交坐标系统，坐标轴与晶轴一致 时，有 R p ls l p t s t p s s s R
式中 sl ——纵向应力，注意为L而不是1； st ——横向应力； ss ——与纵向应力和横向应力垂直的应力。 pl ——纵向压阻系数； pt ——横向压阻系数； ps ——与纵向和横向垂直的压阻系数。 由于ss一项比st 和sl 小很多一般略去。pl表示应力作用方向与通过压阻元 件的电流方向一致， pt 表示应力作用的方向与通过压阻元件的电流方向垂直。
当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为
R p ls l p R
t
st
在此情况下，式中的pl、pt 值可用p11、p12、p44表示为
2 2 2 2 2 p l p 11 2p 11 p 12 p 44 l12 m1 n1 l1 m1 n1
h
(a)
(c)
1．扩散电阻条值及位置的确定 在<001>晶向的N型圆形硅膜片上，如图所示。沿<011>与二 晶向利用扩散的方法扩散出四个 P型电阻，则<011>晶向的二个径 向电阻与晶向的二个切向电阻阻值的变化率分别为
传感器原理与应用课件 第8章 压阻式传感器
2 2 2 2 2 2 l l m m n n t 12 11 12 44 1 2 1 2 1 2
式中 硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 l1、m1、n1——分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦； l 2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；
} 221
晶向、晶面、晶面族分别为<111>、（111）、{111} 晶向、晶面、晶面族分别为<100>、（100）、{100}
由于是立方晶体，ABCD、BEFC、 CFGD三个面的特性是一样的， 因此<100>、<010>、<001>有时可通用，均可用<100>表示。这是泛指 的，如指某一固定的晶向时，则不能通用。 对于同一个单晶硅晶体，不同的晶面上原子分布不同，各个晶面 所表现的物理性质也不同，压阻效应也不同。硅压阻传感器的硅芯片， 就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。常用的晶向为<001>、 <011>、<111>三个晶向。通常在这三个晶向上扩散电阻有最大压阻系 数。
X cos Y cos Z cos p
X r
若两式所表示的是同一平面，则得
X Y Z cos cos cos 1 p p p
则有
1 11 cos : cos : cos : : r st
把三个截矩的倒数化成三个没有公约数的整数h、k、l，称为密勒指数。则 有
8.2
晶向的表示方法
扩散型压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性 材料，取向不同时特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是 晶面的法线方向。 设X、Y、Z分别为单晶硅的晶轴。晶向在一平面内有两种表示方法： （1）截距式
压阻式传感器资料共32页
压阻式传感器资料
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路1、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
微传感器技术-2019课件3-4(压阻)-PPT精选文档
第三章 力学量传感器 力学量包括以下三类： ① 几何学量，如位移、形变、长度、距离、位置、 尺寸（长、宽、高）、厚度、深度等有长度量纲的量， 以及角度、角位移等有角度量纲的量； ② 运动学量，如速度、加速度、角加速度，是几 何学量的时间函数； ③ 狭义力学量，指质量、力、力矩、应力、压力 等狭义的力学量。 这些物理量的测量都与机械应力有关，所以把测量 这些物理量的器件统称为力学量传感器，也称力敏传感 器。
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在 一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘 贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表 面应变传递给应变计的基底和敏感栅。
2019
缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因 此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围 内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不 能用于过高温度场合下的测量。
2019
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
——电阻的相对变化；
S=π r 2
dS /S=2·dr/r εr= –με
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。 由材料力学知
dR d dl d ( 1 2 ) ( 1 2 ) R l
R / l ( 1 2 ) K S R l / l l
（3） 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材 料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性 能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在 一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘 贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表 面应变传递给应变计的基底和敏感栅。
2019
缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因 此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围 内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不 能用于过高温度场合下的测量。
2019
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
——电阻的相对变化；
S=π r 2
dS /S=2·dr/r εr= –με
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。 由材料力学知
dR d dl d ( 1 2 ) ( 1 2 ) R l
R / l ( 1 2 ) K S R l / l l
（3） 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材 料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性 能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
传感器及应用(电类 劳动版)课件：3.4 压阻式压力传感器
2020/5/18
[任务实施]
小区内设立恒压供水系统，将自来水公司的水压提升到一定的压力，小区楼 层越高，需要的压力越大，压力一般在0.8MPa左右。
方案一：根据量程及测量环境，可以选择压阻式压力传感器，输出灵敏度高， 稳定性好，虽温度特性差，但在使用环境温度变化小，不会影响传感器输出特性。
2020/5/18
2020/5/18
将压阻式压力敏感元件紧密地安装到带压力接嘴的壳体中，就构成了压 力传感器。根据压力敏感元件的结构不同，压阻式压力传感器可以测量绝对 压力、表压力及差压。
2020/5/18
Байду номын сангаас
1．测量绝对压 绝压压力敏感元件在膜片的一侧有一个密封的近 似真空的参考压力腔，此时测到的压力P1即为绝对压 力。 2．测量表压力 硅杯的一侧与大气相通，被测压力P2穿过玻璃基 座引入硅杯的另一侧。若加的压力P2大于大气压，可 称为正压；若施加的压力P2小于大气压，可称为负压。
2020/5/18
二、压阻式压力传感器工作原理
对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，该材料的电阻 率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。
半导体的电阻大小取决于电子、空穴的迁移率。加在单晶材料某一轴向上的 外应力，使载流子迁移率发生较大变化，半导体材料的电阻率ρ产生较大变化，电 阻值也相应变化。半导体材料电阻变化率远大于金属应变片的电阻变化率，使其灵 敏度较高。
2020/5/18
压阻式应变片又称半导体应变片，用于压力的测量，即压阻式压力传感器。 其主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几 帕斯卡的微压。 将压阻式压力敏感元件紧密地安装到带压力接嘴的壳体中，就构成了压力传感 器。根据压力敏感元件的结构不同，压阻式压力传感器可以测量绝对压力、表 压力及差压。
[任务实施]
小区内设立恒压供水系统，将自来水公司的水压提升到一定的压力，小区楼 层越高，需要的压力越大，压力一般在0.8MPa左右。
方案一：根据量程及测量环境，可以选择压阻式压力传感器，输出灵敏度高， 稳定性好，虽温度特性差，但在使用环境温度变化小，不会影响传感器输出特性。
2020/5/18
2020/5/18
将压阻式压力敏感元件紧密地安装到带压力接嘴的壳体中，就构成了压 力传感器。根据压力敏感元件的结构不同，压阻式压力传感器可以测量绝对 压力、表压力及差压。
2020/5/18
Байду номын сангаас
1．测量绝对压 绝压压力敏感元件在膜片的一侧有一个密封的近 似真空的参考压力腔，此时测到的压力P1即为绝对压 力。 2．测量表压力 硅杯的一侧与大气相通，被测压力P2穿过玻璃基 座引入硅杯的另一侧。若加的压力P2大于大气压，可 称为正压；若施加的压力P2小于大气压，可称为负压。
2020/5/18
二、压阻式压力传感器工作原理
对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，该材料的电阻 率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。
半导体的电阻大小取决于电子、空穴的迁移率。加在单晶材料某一轴向上的 外应力，使载流子迁移率发生较大变化，半导体材料的电阻率ρ产生较大变化，电 阻值也相应变化。半导体材料电阻变化率远大于金属应变片的电阻变化率，使其灵 敏度较高。
2020/5/18
压阻式应变片又称半导体应变片，用于压力的测量，即压阻式压力传感器。 其主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几 帕斯卡的微压。 将压阻式压力敏感元件紧密地安装到带压力接嘴的壳体中，就构成了压力传感 器。根据压力敏感元件的结构不同，压阻式压力传感器可以测量绝对压力、表 压力及差压。
微传感器技术34压阻PPT课件
二、 压阻式传感器
是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种 新的物性型传感器。
优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型 化和集成化等。
（一） 压阻效应
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显 变化，这种现象被称为压阻效应。
电阻相对变化量
dR d 1 2
R
对金属材料 对半导体材料
dR 1 2
（五） 测量电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要
把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪 表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配 交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简
单，因此首先分析直流电桥，如图所示。当电源E为电势 源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥
交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶
面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y
、Z表Z 示。
硅为立方晶体结构，就
C
取立方晶体的三个相邻边为
O
1
B
X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上
Y
取与所有晶轴相交的某晶面
1
为单位晶面，如图所示。
A
X 晶体晶面的截距表示
第3页/共65页
此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面 在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位
各参数之间的关系为
B
R1
R2 Rg
A
C
Ig
R3
R4
D
E
电桥线路第原25理页/图共65页
Ig
Rg R1
R2 R3
ER1R4 R2R3 R4 R1R2 R3 R4
是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种 新的物性型传感器。
优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型 化和集成化等。
（一） 压阻效应
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显 变化，这种现象被称为压阻效应。
电阻相对变化量
dR d 1 2
R
对金属材料 对半导体材料
dR 1 2
（五） 测量电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要
把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪 表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配 交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简
单，因此首先分析直流电桥，如图所示。当电源E为电势 源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥
交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶
面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y
、Z表Z 示。
硅为立方晶体结构，就
C
取立方晶体的三个相邻边为
O
1
B
X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上
Y
取与所有晶轴相交的某晶面
1
为单位晶面，如图所示。
A
X 晶体晶面的截距表示
第3页/共65页
此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面 在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位
各参数之间的关系为
B
R1
R2 Rg
A
C
Ig
R3
R4
D
E
电桥线路第原25理页/图共65页
Ig
Rg R1
R2 R3
ER1R4 R2R3 R4 R1R2 R3 R4
压阻式传感器培训课件
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1. 半导体的压阻效应
固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变 化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体 最为显著。 当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻 率将 发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。
RR(1l 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
RRl El
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
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2.2 测量电路
恒压源
U 0U R /R ( R t)
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。
恒流源
U0 IR
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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2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
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3.1 结构类型
1. 半导体的压阻效应
固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变 化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体 最为显著。 当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻 率将 发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。
RR(1l 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
RRl El
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
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2.2 测量电路
恒压源
U 0U R /R ( R t)
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。
恒流源
U0 IR
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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2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
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3.1 结构类型
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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
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。
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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
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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
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:
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。
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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
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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Байду номын сангаас 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；
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。
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。
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
E
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。
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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
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。
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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
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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
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:
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。
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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
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
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Байду номын сангаас 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；
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。
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。
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
E
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。