压阻式传感器PPT幻灯片课件
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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
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。
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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。
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。
《压力传感器》课件
压力传感器的维护与保养
定期检查
定期检查压力传感器的外观、连接线路和电 源等，确保其正常工作。
清理与保养
根据需要，定期清理压力传感器的表面污垢 和杂物，保持其清洁状态。
校准与调整
定期对压力传感器进行校准和调整，以确保 其测量精度和稳定性。
更换损坏元件
如发现压力传感器内部元件损坏，应及时更 换，以避免影响其正常工作。
根据精度要求选择
根据实际应用对测量精度的要求，选 择具有适当分辨率和误差范围的压力
传感器。
根据测量范围选择
根据所需测量的压力范围，选择量程 合适的压力传感器，以确保测量精度 和稳定性。
根据环境因素选择
考虑使用环境的影响因素，如温度、 湿度、振动等，选择能在恶劣环境下 稳定工作的压力传感器。
压力传感器的安装与使用
多功能化
在微型传感器中集成多种功能模块， 如温度、湿度等，实现多参数测量。
无线压力传感器的发展趋势
无线通信技术
采用无线通信技术，实现传感器与接收器之 间的数据传输，提高监测系统的灵活性和可 靠性。
能量管理
优化传感器能量管理技术，提高传感器续航 能力和稳定性，满足长期监测需求。
THANKS
感谢观看
压力传感器的分类
01
根据工作原理，压力传感器可分为电阻式、电容式、电感式和 压电式等类型。
02
根据输出信号，压力传感器可分为模拟输出和数字输出两种类
型。
根据使用环境，压力传感器可分为工业、医疗、气象、航空航
03
天等类型。
压力传感器的应用领域
压力传感器广泛应用于工 业自动化、智能家居、医 疗设备、汽车电子等领域。
03
CATALOGUE
压阻式传感器工程实践课件
根据上两式作出曲线（见图5.1-25）就可得圆形平膜片 上各点的应力分布图。当x=0.635r时，σr=0；x<0.635r 时，σr>0，即为拉应力；x>0.635r时，σr<0，即为压应 力。当x=0.812r时，σt=0，仅有σr 存在，且σr<0，即为 压应力。
σr 3P(1+μ) 8 r 2 h 0 σt
当坐标轴与晶轴方向有偏离时，再考虑到πsσs ， 一般扩散深度为数微米，垂直应力较小可以忽略。因 此电阻的相对变化量可由下式计算 dR （5.1-56） l l t t R 式中 πl、πt值可由纵向压阻系数π11、横向压阻系数 π12、剪切压阻系数π44的代数式计算，即
t 12 11 12 44 l l m m n n （5.1-58） 式中 l1、m1、n1——压阻元件纵向应力相对于立方 晶轴的方向余弦；l2 、m2 、n2——横向应力相对于立 方晶轴的方向余弦； π11、π12、π44——单晶硅独立的 三个压阻系数，它们由实测获得数据，在室温下，其 数值见表5.1-3。
σt
σr
2 3Pμ r 4 h
1
0.5
σt σr
3P r 2 4 h
图5.1-25
平膜片的应力分布图
下面结合图5.1-26讨论在压力作用下电阻相对变化的情 况。在法线为[1 1 0]晶向的N型硅膜片上，沿[1 1 0]晶 向，在0.635r半径的内外各扩散两个P型硅电阻。由于 [1 1 0]晶向的横向为[0 0 1]，根据其晶向，应用（5.157）、（5.1-58）两式可计算出πl及πt为
对半导体材料
dR 1 2 R d E
dR 1 2 E 1 2 R
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？
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
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
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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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
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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源自应变薄膜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。
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。
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 )
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
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
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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 0 UR /(R Rt )
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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
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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
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。
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。
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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。
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
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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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。
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。
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。
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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。