压阻式传感器PPT幻灯片课件
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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
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。
9
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。
14
4. 压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁， 如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁 自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到 弯矩作用，产生应力，使扩散四电个阻电阻阻值发生变化。
基座
a
应变梁
质量块
15
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
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
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。
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 ]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
13
3.2 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。 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。
U (R R RT )
R R RT R R RT
R -R +RT
R +R +RT
B
R +R +RT D
U
R +R +RT
R
金属材料
半导体材料
半导体电阻率
＝
l
lEe
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；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
R R
(1
l
E)
3
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
R R
11
3.1 结构类型
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薄膜
12
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。
6
2.1 结构型式及特点
主要优点
• 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
7
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
8
2.2 测量电路
恒压源
U 0 UR /(R Rt )
其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶 向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等， 给使用带来一定困难。
10
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻 系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时 还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装） 薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。
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。
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。
2
1.1压阻效应
R (1 )
压阻式传感器
1. 半导体的压阻效应 2. 体型半导体应变片 3. 扩散型压阻式压力传感器 4. 压阻式加速度传感器 5. 压阻式传感器的测量电路 6. 压阻式传感器的应用
1
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。
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，
电桥的输出为
A
U sc
U BD
R
U (R R RT ) R RT R R
RT
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。
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。
9
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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4. 压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁， 如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁 自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到 弯矩作用，产生应力，使扩散四电个阻电阻阻值发生变化。
基座
a
应变梁
质量块
15
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
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
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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。
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 ]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
13
3.2 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。 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。
U (R R RT )
R R RT R R RT
R -R +RT
R +R +RT
B
R +R +RT D
U
R +R +RT
R
金属材料
半导体材料
半导体电阻率
＝
l
lEe
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；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
R R
(1
l
E)
3
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
R R
11
3.1 结构类型
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薄膜
12
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。
6
2.1 结构型式及特点
主要优点
• 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
7
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
8
2.2 测量电路
恒压源
U 0 UR /(R Rt )
其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶 向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等， 给使用带来一定困难。
10
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻 系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时 还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装） 薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。
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。
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。
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1.1压阻效应
R (1 )
压阻式传感器
1. 半导体的压阻效应 2. 体型半导体应变片 3. 扩散型压阻式压力传感器 4. 压阻式加速度传感器 5. 压阻式传感器的测量电路 6. 压阻式传感器的应用
1
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。
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，
电桥的输出为
A
U sc
U BD
R
U (R R RT ) R RT R R
RT
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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。