应变传感器

电阻丝与基底粘贴在一起；引出线4，用来连接测量导线。

第3章 应变传感器
图3.1 应变片的结构
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2. 电阻应变片的分类
电阻应变片的分类方法很多，常用的方法是按照制造应 变片时所用的材料、工作温度范围以及用途不同来进行分类。 (1) 按应变片敏感栅的材料不同，应变片可分成金属应 变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为体型 (箔式、丝式)和薄膜型；半导体应变片又分为体型、薄膜型、 扩散型、PN结型及其他型。 (2) 按应变片的工作温度不同，应变片可分为常温应变 片(－30 ℃～60 ℃)、中温应变片(60 ℃～300 ℃)、高温应 变片(300 ℃以上)和低温应变片(低于－30 ℃)等。
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2) 箔式应变片
箔式应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成的； 其箔栅厚度一般为0.003～0.01 mm；箔金属材料为康铜或合 金(卡玛合金、镍镕锰硅合金等)；基底可用环氧树脂、酚醛 或酚醛树脂等制成。 箔式应变片有较多优点，可根据需要制成任意形状的敏 感栅；表面积大，散热性能好，允许通过比较大的电流；蠕 变小，疲劳寿命高；便于成批生产且生产效率比较高。
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4) 金属薄膜应变片
所谓金属薄膜，是指厚度在0.1 mm以下的金属膜。习 惯上也把厚度在25 μm左右的膜称为厚膜，故上面介绍的箔 式应变片即属于厚膜类型。 金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成 的。它可以将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上 而不用粘合剂，这样应变片的滞后和蠕变均很小，灵敏度高。 5) 高温及低温应变片 按工作温度来分类的高、低温应变片，其性能取决于应 变片的应变电阻合金、基底、粘合剂的耐热性能及引出线的 性能等。
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(3) 按应变片的用途不同，应变片可分为一般用途应变
片和特殊用途应变片(水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩 展等)。 3.1.2 常用的应变片 1) 丝式应变片 丝式应变片的基底材料可分为纸基、胶基、纸浸胶基和 金属基等。丝式应变片的电阻丝直径为0.02～0.05 mm，常 用的为0.025 mm；电流安全允许值为10～12 mA和40～50 mA；电阻值一般应在50～1000 Ω范围内，常用的为120 Ω; 引出线使用直径为0.15～0.30 mm的镀银或镀锡铜带或铜丝。
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3.1 电阻应变传感器
3.1.1 应变片的结构和类型 1. 应变片的结构和类型 应变片的结构和形式是多种多样的。图3.1所示的应变 片结构主要由四部分组成：电阻丝(敏感栅)1，它是应变片
的转换元件；基底和面胶(覆盖层)2，基底是将传感器弹性
体的应变传递到敏感栅1的中间介质，它起电阻丝和弹性体 间的绝缘作用，面胶起保护电阻丝的作用；粘合剂3，它将
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电电阻薄膜组成的，所以通过对应力相对不敏感材料(如Au
或Al等)的厚膜电阻电极，可以实现对应力敏感电阻器的接 触。 对于长为L，横截面为S的均匀材料(金属或半导体)，两 端的电阻值为
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3.2
3.2.1
薄膜应变电阻及传感器
薄膜分类ห้องสมุดไป่ตู้ 薄膜有两种分类方法：按薄膜厚度分类和按薄膜结构形
式分类。 1. 按薄膜厚度分类
(1) 非连续金属膜。这种膜的厚度小于10－8 m，膜面呈
一个个相互孤立的小岛，它们之间没有通道，其导电作用是 由隧道效应所实现的。这种膜形成的应变片阻值很高，灵敏
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3) 半导体应变片
半导体应变片是利用半导体的压阻效应制成的一种转换 元件。它与金属丝式应变片和箔式应变片比较，具有灵敏系 数高(比金属应变片的灵敏系数大50～100倍)、机械滞后小、 体积小以及耗电量少等优点。 半导体应变片的电阻温度系数大，非线性也大。这些缺 点不同程度地制约了它的应用发展。不过，随着近年来半导 体集成电路工艺的迅速发展，相继出现了扩散型、外延型和 薄膜型半导体应变片，使其缺陷得到了一些改善。
获得的金属薄膜一般都是多晶体薄膜。
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(2) 单晶体薄膜。用外延生长方法获得的半导体薄膜均
属单晶体薄膜。外延生长法已广泛应用于制造各种半导体器 件和集成电路。该方法已十分成熟。用该方法获得的硅薄膜， 因为基片是单晶，所以生长出的薄膜也是单晶。 (3) 无定形薄膜。用各种方法获得的金属氧化物介质薄 膜一般都是非晶态，这就是所谓的无定形薄膜。在一定条件 下(如基底温度很低)，也可形成半导体的无定形薄膜，如无 定形硅薄膜等。目前用于制造敏感元件和传感器的薄膜大都 是金属(包括合金)或半导体薄膜，而氧化物介质薄膜通常用 作绝缘层。
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3.2.2 薄膜的工作原理
薄膜的工作原理是基于材料的压电阻特性(即应力的变 化会引起电阻的变化)。电阻变化的原因是当材料受到应力 (或力)作用之后，电阻元件尺寸和材料电阻率发生了变化。 材料电阻率发生变化是由于应力对电子自由程的影响。一般 应力测量是采用金属线和金属片作为电阻元件，并将其接入 惠斯顿电桥的某一臂来测量电阻变化，从而得知应力的大小。 但金属片必须贴在需要测量的表面上，这样就限制了测量的 精度(因为应力不可能完全传送至金属片)，同时也限制了这 种传感器的最大工作温度。薄膜应力传感器可克服这些缺点。 因为薄膜应力传感器是由直接沉积在需要测量的表面上的压
度也很高，但性能极不稳定。
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(2) 半连续膜。这种膜的厚度在10－8～2×10－8 m之间，
膜面呈不连续的岛状，各岛之间有若干通道。 (3) 连续膜。这种膜的厚度一般大于2×10－8 m，膜面上 基本看不到岛状结构。这种膜的稳定性远远高于前两种，力 敏元件均采用这种膜。 2. 按薄膜结构形式分类 (1) 多晶体薄膜。用于敏感元件的半导体(如Ge、Si)和 化合物半导体(如锑化铟(InSb)、砷化镓(GnAs))通常都制成 多晶体薄膜。这种膜是由微小的晶粒无规则排列构成的，其 晶核形成晶粒的大小取决于基底温度、淀积速度等工艺条件。 若再经过退火处理，则还可使该膜的晶粒增大。用各种方法