压阻式加速度传感器
加速度传感器类型种类【大全】
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。
通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。
传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。
根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
加速度传感器工作原理线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。
怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。
就可以得到F对应于电流的关系。
只需要用实验去标定这个比例系数就行了。
当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。
现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。
在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。
以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。
于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。
这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。
而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。
可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。
加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。
1、压电式传感器：压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。
1）按敏感芯体材料按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。
压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。
2）按敏感芯体结构形式按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。
压阻式加速度传感器简介
压阻式加速度传感器简介结构与原理压阻式加速度传感器的结构原理如下图所示，一质量块固定在悬臂梁的一端，而悬臂梁的另一端固定在传感器基座上，悬臂梁的上下两个面都贴有应变片并组成惠斯通电桥，质量块和悬臂梁的周围填充硅油等阻尼液，用以产生必要的阻尼力。
质量块的两边是限位块，它们的作用是保护传感器在过载时不致损坏。
被测物的运动导致与其固连的传感器基座的运动，基座又通过悬臂梁将此运动传递给质量块。
由于悬臂梁的刚度很大，所以质量块也会以同样的加速度运动，其产生的惯性力正比于加速度大小。
而此惯性力作用在悬臂梁的端部使之发生形变，从而引起其上的应变片电阻值变化。
在恒定电源的激励下，由应变片组成的电桥在就会产生与加速度成比例的电压输出信号。
MEMS压阻式加速度传感器随着微机电技术的发展，如今大多数压阻式加速度传感器都是采用的MEMS结构，即整个传感器的核心部件（质量块、悬臂梁和支架）都是由一个单晶硅蚀刻而成，直接在硅悬臂梁的根部扩散出电阻并形成惠斯通电桥。
MEMS压阻式加速度传感器与上文介绍的应变片式加速度传感器相比，除了体积小、坚固性好之外，还有灵敏度高的优点。
这主要是因为两者电阻变化的原理不同：应变片中的金属丝或金属箔在受力时其形状发生了变化，所以引起了电阻值小幅的改变；而硅材料在受力时，除了其形状发生变化外，更重要的是其材料特性发生了大的变化，所以引起了电阻值大幅的改变。
一个典型的金属丝或箔式应变计的应变系数大约是2.5，而硅材料的应变系数可达100。
另外，采用MEMS的加工技术，可以在同一硅片上制造出悬臂梁阵列（见下图），这就进一步提高了传感器的灵敏度、可靠性等。
特点与应用压阻式加速度传感器的输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。
它对底座应变和热瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。
压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应），因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，如军工冲击波试验。
固态压阻式传感器
第三讲 固态压阻式传感器教学目的要求：1.掌握压阻效应的概念；2.理解压阻传感器的结构和压阻片的扩散原理；教学重点：压阻片的扩散原理教学难点：压阻传感器的结构和压阻片的扩散原理教学学时：共1学时教学内容：固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。
它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽等特点，因此获得广泛的应用，而且发展非常迅速。
同时由于它易于批量生产，能够方便地实现微型化、集成化，甚至可以在一块硅片上将传感器和计算机处理电路集成在一起，制成智能型传感器，因此这是一种具有发展前途的传感器。
一、压阻效应与压敏电阻压阻效应：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应力时，它的电阻率将发生显著的变化，这种现象称为半导体压阻效应。
πσερρ==∆≈∆E R R π压敏电阻：用压阻效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力敏电阻。
类型：一种是利用半导体材料制成粘贴式的应变片；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。
二、扩散硅压阻器件1. 类型扩散型硅压阻器件有两种结构：一种是圆形硅膜片，它的周边用硅杯环支撑固定，实际上硅杯环与膜片合为一体，称为圆形硅杯膜片结构。
另一种也是支撑用的硅杯与膜片合为一体，区别是方形或矩形，称为方形或矩形硅杯膜片结构。
2.原理在弹性变形限度内，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，为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装）在薄的硅膜上，压力的作用先引起硅膜的形变，形变使压敏电阻承受应力，该应力比压力直接作用在压敏电阻上产生的应力要大得多，好像硅膜起了放大作用一样。
2-02压阻式传感器重点
任务二 压阻式传感器
2.1 压力检测基础 2.1.1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。 2.1.2 压力的表示方法 由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法： 绝对压力、大气压力、表压力、真空度(负压) 、差压 (压差)等，这几种表示法的关系如图2-1所示。
2.压阻式加速度传感器
休息一下
测量原理：在一块圆形的单晶硅膜片上, 布置四 个扩散电阻, 组成一个全桥测量电路。如图2-22 （d）、（e）所示。膜片用一个圆形硅杯固定, 将两个气腔隔开。一端接被测压力, 另一端接参 考压力，如图2-22（b）所示。当存在压差时, 膜片产生变形, 使两对电阻的阻值发生变化, 电桥 失去平衡, 其输出电压反映膜片承受的压差的大 小。 压阻式压力传感器的主要优点是体积小, 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, 它是一种比较理想、目前发展和应 用较为迅速的一种压力传感器。
2.2 固态压阻式传感器
2.2.1半导体压阻效应 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应力时，它的电阻率将发生 显著的变化，这种现象称为根据各种非电量测量技术，把被测压力转换成各种电量变 化来测量的。如：应变片式，电阻式，电容式，电感式， 霍尔片式，振频式等，广泛用于现代工业压力测量与自控 系统中。 4.活塞式压力标准仪表 把被测仪表转换成活塞上所加平衡砝码的重量大小来测量。 常见的有单活塞和双活塞标准压力表。是种高精度标准压 力计，常用于检验其他类型压力计。
2.2.2 扩散型压阻式传感器 1..扩散型压阻式压力传感器 压阻式压力传感器主要由外壳、硅杯膜片和引线 组成，其结构如图2-35所示。压阻式压力传感 器的核心部分是一块圆形或方形的硅膜片，在硅 膜片上，利用集成电路工艺制作了四个阻值相等 的电阻。硅膜片的表面用SiO2薄膜加以保护， 并用铝质导线做全桥的引线，硅杯膜片底部被加 工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑 作用）的形状
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
∴
无人机传感器技术 压阻式加速度计-测量原理与温度补偿
压阻式加速度计-测量原理与温度补偿
2.测量原理
在膜片上布置如图2-15所示的4个等值电阻。
利用纵向应力σr ，其中两个电阻R 2、R 3处于r <0.635r 0位置，使其受拉应力；而另外两个电阻R 1、R 4处于r >0.635r 0位置，使其受压应力。
图2-15 膜片上电阻布置图
只要位置合适，可满足
44113322R R -R R -R R R R ∆=∆=∆=∆ (2-38)
这样就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。
3.温度补偿
压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。
这是因为，在压阻式传感器中，扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。
当温度升高时，压阻系数减小，则传感器的灵敏度要减小；反之，灵敏度增大。
零位温度一般可用串联电阻的方法进行补偿，如图2-16所示。
图2-16 温度补偿电路
串联电阻R S主要起调零作用，并联电阻R p则主要起补偿作用。
例如，温度上升，R2的增量较大，则A点电位高于C点电位，V A-V C就是零位漂移。
在R2上并联负温度系数的阻值较大的电阻R p，则可约束R2变化，从而实现补偿，以消除此温度差。
当然，如果在R3上并联一个正温度系数的阻值较大的电阻也是可行的。
在电桥的电源回路中串联的二极管电压是补偿灵敏度温漂的。
二极管的PN结为负温度特性，温度升高，压降减小。
这样，当温度升高时，二极管正向压降减小，因电源采用恒压源，则电桥电压必然提高，使输出变大，以补偿灵敏度的下降。
压阻式加速度计原理
压阻式加速度计原理压阻式加速度计是一种常用的惯性传感器，它利用压阻效应测量加速度。
下面将详细介绍压阻式加速度计的工作原理及各个方面。
1.压阻效应压阻效应是指当材料受到压力作用时，其电阻值会发生改变的现象。
在压阻式加速度计中，敏感元件利用这种效应感受加速度，并将加速度转换成电信号输出。
2.敏感元件敏感元件是压阻式加速度计的核心部分，通常采用硅材料制作。
在敏感元件的表面加工出多个压敏电阻，当敏感元件受到加速度作用时，这些电阻的阻值会发生变化，从而产生与加速度成比例的电信号。
3.信号处理压阻式加速度计输出的电信号往往比较微弱，需要经过信号处理电路进行放大和滤波。
信号处理电路通常包括放大器、滤波器、电压跟随器等组件，以提高输出信号的幅度和稳定性。
4.温度补偿由于敏感元件的电阻值会受到温度的影响，因此需要在电路中进行温度补偿。
温度补偿通常采用热敏电阻或晶体管来实现，以减小温度变化对敏感元件的影响。
5.非线性校正由于敏感元件的输出信号与加速度之间存在非线性关系，因此需要进行非线性校正。
非线性校正通常采用电压反馈或电流反馈的方法实现，以使输出信号更好地拟合实际加速度值。
6.封装与安装压阻式加速度计需要进行封装和安装，以便能够正确地感应加速度。
封装材料应具有良好的稳定性和抗震性能，以保证测量精度。
安装方式也应根据实际应用场景进行选择，以确保测量结果的准确性。
7.数据处理与输出经过信号处理和温度补偿后的电信号，可以通过AD转换器将其转换为数字信号，再通过微处理器进行处理。
微处理器可以对数据进行滤波、运算和存储等处理，最后将加速度值通过接口或通信协议输出。
为了方便用户的使用，许多压阻式加速度计都配备了标准接口（如SPI、I2C等），用户可以通过这些接口轻松地与各种微控制器或计算机进行连接和通信。
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
加速度传感器
•输出偏压： 8-12VDC
•恒定电流： 2-20mA， 典型值：4mA
•输出阻抗： ＜150Ω
•激励电压： 18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围： - 40～+120℃
•放电时间常数：≥0.2秒
•壳绝缘电阻： ＞ Ω
•安装力矩： 约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸： 六方17mm、高度24.5或31mm
电 荷 灵 敏 度 p C / g
率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H z
安 装 谐 振 点 k H z
横 向 灵 敏 度
%
值 线 性 ( ± 1 0 % ）
g
质 量 g m
使 用 温 度 范 围 ℃
安
装内
螺 部 用频
纹 m m
型 号
结 构电 荷 灵 敏 度 p C / g
途率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H
加速度传感器
完整版
综述
加速度传感器在工业生产、科研、航空航天 等领域中有着重要的应用。其中按照被测量 可以被分为角加速度传感器和 线加速度传感 器。根据敏感元件分有应变式 加速度传感器、 压阻式加速度传感器及压电式加速度传感器。 而随着科学技术的发展，智能化加速度传感 器也已经走进了我们的视野。
一 压电式加速度传感器
频率响应特性
►低频响应特性：下限频率一般为-10%左右频 响。主要由压电芯片和传感器的基座应变和 热释电效应等环境特性决定。应变加速度传 感器具有响应静态信号的特性。
►高频响应特性：上限频率一般为10%左右频 响。大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上 限频率误差为+5%，大约为安装频率的1/5。 如果采用适当的校正系数，在更高的频率范 围也能够得到可靠的测试数据。
半导体压阻式传感器-投入式液位计
知识准备
• 一,压阻式传感器基本概念与分类 • 一.压阻效应 • 当固体材料在某一方向承受应力时,其电阻率（或电阻值）
发生变化地现象,叫压阻效应。 • 二.半导体压阻效应 • 半导体（单晶硅）晶片受到外力作用,产生肉眼无法察觉
• （一）体型半导体电阻应变片 • 一．结构形式及特点 • 体型半导体应变片是从单晶硅或锗切下薄片制成。主要优
点是灵敏系数大,横向效应与机械之后极小;温度稳定与线 度比金属电阻应变片差地多。
• 二．测量电路
• 半导体应变电桥地非线误差很大,故半导体应变电桥除了 提高桥臂比,采用差动电桥等措施外,一般还采用恒流源
（通常叫硅杯）。在硅膜 • 片上,利用集成电路工艺制 • 作了四个阻值相等地电阻。 • 硅膜片地表面用SiO二薄膜 • 加以保护,并用铝质导线 • 做全桥地引线
• 硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘贴在热胀冷缩系数相近地玻 璃基板上。将硅杯与玻璃基板紧密地安装到壳体,就制成 了压阻式压力传感器
压阻式固态压力传感器地隔离,承压膜片
隔离,承压 膜片可以将腐 蚀地气体,液体 与硅膜片 隔离 开来。
2023/5/6
13压阻式固态 压力传感器 内 Nhomakorabea结构信号处理电路
2023/5/6
14
小型压阻式固态压力传感器
低压气口
高压气口
绝对压力传感器
2023/5/6
15
小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸,透析与注射泵设备用地压力传感器
p一气管
• 一.实训原理 • 压阻式压力传感器是利用单晶硅地压阻效应 • 二.实训器件与单元 • 本实训项目需用器件与单元:压力源,压力表,压阻式压力传
加速度传感器一、定义
加速度传感器一、定义加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。
通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。
传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。
根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
二、分类1、压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
2、压阻式基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
3、电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。
电容式加速度传感器/电容式加速度计是比较通用的加速度传感器在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。
电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。
4、伺服式伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。
其工作原理：传感器的振动系统由“m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。
由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。
PS：微机电系统微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。
第8章 压阻式传感器
三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与表面杂质浓度的关系
P型Si（π44)
π11
或
π44
N型Si（π11)
表面杂质浓度Ns（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数减小
17
18
解释：
1
ne
•ρ：电阻率 • n：载流子浓度 •e：载流子所带电荷 •μ：载流子迁移率
•Ns↑→杂质原子数多→载流子多→ n↑→ρ↓
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
1,1,1
1,1,1 1,1,1
2, 2,1
2, 2,1 2, 2,1
11
例： （特殊情况）
z
0,0,1
1,0,0
0,1,0
y
x
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
由于微电子技术的进步，四个应变 电阻的一致性可做的很高，加之计 算机自动补偿技术的进步，目前硅 压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传 感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
压阻效应
R (1 2)
R
金属材料 半导体材料
半导体电阻率
＝
第八章 压阻式传感器
• 1 半导体的压阻效应 • 2 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 • 3 压阻式传感器的应用
返回
下一页
1 半导体的压阻效应
压阻式压力传感器
压阻式压力传感器压阻式压力传感器利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
压阻式传感器压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。
变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。
压阻效应压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。
这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。
硅的压阻效应不同于金属应变计硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计）（见电阻应变计）（见电阻应变计），，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），（应变），（应变），而且前者的灵敏度比后而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。
倍。
压阻式压力传感器的结构压阻式压力传感器的结构 这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。
硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。
在圆形硅膜片(N 型)定域扩散4条P 杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。
硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条制作电阻条 ，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
压阻式传感器
压阻式传感器
一、 压阻式传感器的工作原理
由前述可知，压阻效应的数学描述可用公式表示如下：
R R
（1-25）
式中，π是压阻系数，是表征固态材料压阻效应的特性参数。不同
材料的压阻系数不同，而且各向异性的同一材料在不同方向其压阻系数
也各不相同，所以有
R R
r r
tt
（1-26）
式中，σr、σt分别为纵向应力和横向应力（切向应力）；πr为纵向
压阻式传感器
图1-16所示为一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传 感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和 控制汽车发动机的性能及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵 器方面的测量。
图1-16 脑压传感器结构图
压阻式传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
扩散型压阻式压力传感器属于半导体应变片传感器，它是直 接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，而不是用黏结剂将敏感栅粘贴 在弹性元件上。
压阻式传感器
由于闭环压阻式加速度 传感器采用力平衡工作方式 弹性硅梁没有过大的挠度， 因而有利于提高动态频响特 性和改善线性。它还具有自 检功能。闭环压阻式加速度 传感器的特点是精度高，动 态范围大，结构复杂，质量 和尺寸都相对较大，成本也 较高。
图1-18 闭环压阻式加速度传感器结构原理图 1—硅梁组件； 2—力矩器线圈； 3—壳体； 4—下磁路组件； 5—插头座； 6—压阻电桥； 7—力矩器磁钢
图1-17（a）所示为扩散型压阻式压力传感器的结构简图， 其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置四 个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆 环（硅环）固定，如图1-17（b）所示。膜片的两边有两个压力 腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般 与大气相通。
压阻式压力传感器
第二节压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。
半导体材料的这种效应特别强。
利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。
压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。
频率响应高，体积小。
它主要用丁测量压力、加速度和载荷参数。
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。
1.基本工作原理根据式（2— 3）芸Qf式中，项，对金届材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为——砧=〃 f (2 - 22)式中巧为沿某晶向的压阻系数，。
为应力，耳为半导体材料的弹性模量。
如半导体硅材料，遗I。
％", "一6"105七则S八扁=5。
〜13,此例表明，半导体材料的灵敏系数比金届应变片灵敏系数（1 + 2卜）大很多。
可近似认为典=圈半导体电阻材料有结晶的硅和错，掺入杂质形成P型和N型半导体。
其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。
由丁半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。
所谓晶向，就是晶面的法线方向。
晶向的表小方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。
1 .截距法设单晶硅的晶轴坐标系为X、y、z,(2 — 23)如图2 — 29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c,这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a bc〉，某数(如a)为负数则记作〈五b c〉。
例如图2— 30(a)，截距为一2、一£1 12、4,截距倒数为一^、一^、日，密勒指数为〈2 ^1〉。
加速度传感器
加速度传感器————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:加速度传感器一、简介加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。
通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。
传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。
根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
二、分类压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应,在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压阻式基于世界领先的MＥMＳ硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。
电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。
在某些领域无可替代,如安全气囊，手机移动设备等。
电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统(ＭEＭS）工艺，在大量生产时变得经济,从而保证了较低的成本。
伺服式伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。
其工作原理，传感器的振动系统由"m-ｋ”系统组成,与一般加速度计相同,但质量m 上还接着一个电磁线圈,当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈,在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。
由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力,提高测量精度，扩大了测量范围,伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。
压阻式传感器
应变梁
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，
电桥的输出为
A
U sc
U BD
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
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
2.2 测量电路
恒压源
U 0 UR /(R Rt )
21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半导体应变片的结构形式1p型单晶硅条2内引线3焊接电极4外引线22测量电路恒压源恒流源电桥输出电压与rr成正比输出电压受环境温度的影响
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
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
加速度传感器原理
加速度传感器原理加速度传感器是一种用于测量物体加速度的设备，常用于运动控制、自动导航、动态平衡等领域。
本文将介绍加速度传感器的工作原理和常见类型。
一、工作原理加速度传感器利用物体在加速度作用下产生的惯性力来测量加速度。
其基本原理是根据牛顿第二定律，物体的加速度与施加在其上的力成正比，且与物体的质量成反比。
因此，加速度传感器通过测量物体所受到的惯性力来间接测量物体的加速度。
二、常见类型1. 电容式加速度传感器电容式加速度传感器是最常见的一种类型。
其工作原理基于平行板电容的变化。
当传感器受到加速度作用时，加速度传感器内部的微小质量块会发生位移，从而改变两个平行电极之间的电容值。
通过测量电容变化，可以得到加速度的信息。
2. 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器是利用压阻效应来测量加速度的。
它的工作原理是在传感器内部放置一块压阻式材料，当受到加速度作用时，压阻材料产生变形，从而改变电阻值。
通过测量电阻的变化，可以得到加速度的信息。
3. 压电式加速度传感器压电式加速度传感器是利用压电效应来测量加速度的。
它的工作原理是在传感器内部放置一块压电晶体，当受到加速度作用时，晶体会产生电荷，从而产生电压差。
通过测量电压差的变化，可以得到加速度的信息。
三、应用领域加速度传感器广泛应用于各个领域，包括但不限于以下几个方面：1. 运动控制加速度传感器可用于运动控制领域，通过监测加速度的变化来实现精确的位置控制和运动控制。
2. 自动导航加速度传感器在自动导航系统中起着重要作用。
利用加速度传感器可以确定物体的位置、速度和方向，并配合其他传感器实现自动导航。
3. 动态平衡加速度传感器可用于动态平衡系统中，通过监测物体的加速度变化来调整平衡控制，从而实现动态平衡。
四、总结加速度传感器是一种用于测量物体加速度的重要设备，其工作原理基于物体的惯性力。
常见的加速度传感器类型包括电容式、压阻式和压电式传感器。
该传感器广泛应用于运动控制、自动导航、动态平衡等领域，为相关系统的运行和控制提供了重要的数据支持。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
新型压阻式硅微加速度传感器1.新颖性压阻式硅微加速度传感器，因其具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，尤其是它的低频响应好，并且该传感器在强辐射作用下能正常工作，对它的研究近年来受到重视。
在工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中有着广泛的应用前景。
在实际生活应用中往往传感器的灵敏度和量程很难做到二者兼优，为了更好地提高压阻式加速度传感器的灵敏度，新型压阻式加速度传感器的量程设计加以改进，利用静电力对其量程进行可调控制。
对于一个结构和几何参数确定的悬臂梁式加速度传感器的设计考虑主要在于：其敏感质量块的自由运动围，制约着它的测量围。
新型压租式硅微加速度传感器采用静电力来抵消部分加速度惯性力，使同样大小的质量块位移量能够代表更大或不同的被测加速度值，从而实现量程可调的目的。
2.传感器工作原理压阻效应半导体材料的压阻效应是指半导体材料受应力作用时，其电阻率发生变化的物理现象。
原因可以解释为：由应变引起能带变形，从而使能带谷中的载流子数也发生相对变化，导致电阻率变化。
由半导体电阻理论可知电阻率ρ的相对变化为επσπρρE L L /d == 式中， L π为沿晶向 L 的压阻系数，单位 /N m 2； σ为沿晶向 L 的应力，单位/N m 2 ；E 为半导体材料的弹性模量，ε为轴向应变。
压阻式加速度传感器工作原理压阻式加速度传感器的工作原理是：在测量物体加速度时是基于牛顿第二定律，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a =F/m 。
当物体以加速度运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形引起压阻效应，悬臂梁上半导体电阻阻值发生变化致使桥路不平衡，从而输出电压有变化，即可得出加速度 a值的大小。
悬臂梁压阻式加速度计的传感原理悬臂梁压阻式加速度微传感器是通过将加速度产生的作用加到质量块上，并将质量块的移动通过压敏电阻来测量。
悬臂梁压阻式加速度微传感器的结构简化图如下所示。
悬臂梁压阻式加速度计结构简化图1—悬臂梁；2—扩散电阻；3—质量块；4—机座外壳当加速度作用于悬臂梁自由端质量块时，悬臂梁受到弯矩作用产生的应力而发生变形由于硅的压阻效应，各应变电阻的电阻率发生变化，电桥失去平衡，输出电压发生变化，通过测量输出电压的变化可得到被测量的加速度值。
新型悬臂梁压阻式加速度计量程改进的依据压阻式加速度计的工作原理是根据作用在弹性元件上的外力致使其发生形变，引起制作在弹性元件上的应变电阻受到应力其阻值改变，从而输出电信号发生变化。
在现有的 MEMS 技术下，尤其是悬臂梁式加速度传感器，悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作，悬臂梁结构比较适合于小量程传感器。
然而在实际工程中，往往悬臂梁会受到随时间变化的动载荷，甚至是瞬时冲击较大的载荷作用，虽然可以根据载荷作用前后的能量守恒原则，但是当应力超过材料的强度极限时，结构将发生断裂或屈服失效，特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。
此外，疲劳也将导致结构断裂，构件在交变应力的作用下，即使其应力小于断裂强度，在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。
为了使悬臂梁不被损坏，同时也为了满足不同荷载作用时加速度的准确测量，本文提出了用静电力来抵消部分惯性力，从而使得较小的质量块位移就能代表较大的加速度值，大大降低了梁的弯曲形变。
静电力调控基本原理如下式 F r =+F F e ，F 为敏感质量块受到的加速度惯性力；r F 悬臂梁弹性形变回复力； e F 为质量块所处的电容板间的电场力。
利用单片机实时调控电容极板间的静电力大小来抵消部分惯性力，最终使敏感质量块的位移距平衡位置的差距不会很大，进而保护了悬臂梁不会被折断或失效。
静电力平衡的原理静电力（electrostatic force ）是静止带电体之间的相互作用力。
平行板电容器两极板间的静电力可以看作是由许多点电荷构成的，每一对静止点电荷之间的相互作用力遵循库伦定律。
两个静止极板间的静电力就是构成它们的点电荷之间相互作用力的矢量和。
静电力是以电场为媒介传递的。
悬臂梁压阻式加速度计的静电力扩程系统，如下图所示：静电力调控系统原理图 在上图中，作为电容器活动极板的惯性敏感质量块由悬臂梁支撑，并夹在两个固 定极板之间，组成一对差动平行板电容器。
当有加速度a 作用时，活动极板将产生偏离0 位（即中间位置）的位移，引起电容变化。
变化量ΔC 由检测电路检测并放大输出，再由脉冲宽度调制器感受且产生两个调制信号E U 和E U ，并反馈到电容器定极板上，引起一个与偏离位移成正比且总是阻止活动极板偏离 0 位的静电力()()，x c/t 1/2U t F 2∂∂=这就构成了脉宽调制的静电伺服系统。
当外界有较大的荷载作用于敏感质量块时，悬臂梁因受应力而弯曲形变，为了使梁不受损坏，需要一个阻止质量块偏离 0 位的力来实现。
脉冲宽调制器产生的两个调制信号E U 和E U ，单片机控制的电子开关a 、b 与电容极板c 、d 触点的选择闭合，把E U 和E U 适时地加到电容极板上。
假设此时梁朝下弯曲，即下动极板与下固定极板间距 2d 减小Δd ，上动极板与上极板间距 1d 增加Δd ，在悬臂梁所能承受的形变围，d -d 2∆将有一个下限值（防止质量块与极板吸合），此时要求给下定极板上电，下定极板与下动极板间电场力方向与弹性力方向一致，这就必须由电子开关的选择闭合来实现。
随着所加驱动电压的增大，大部分惯性力将被抵消掉，从而使质量块偏离平衡位置的位移减小，悬臂梁弯曲程度大大减小；同理，当悬臂梁朝上弯曲形变，给上定极板上电，上定极板 与上动极板间的电场力增大，其方向与此时的弹性力方向相同，静电力抵消掉了增加的惯性力。
因此，质量块离开平衡位置的位移将减小，悬臂梁形变减小，从而有效地保护了悬臂梁。
3.加速度计的性能指标加速度计的性能指标主要有两个：灵敏度和固有频率。
灵敏度是在单位加速度激励下，加速度传感器输出响应（电压或电流）的大小。
一般情况下总是希望灵敏度越高越好，因为产生较大的电信号对后面的检测电路有利。
固有频率是指当悬臂梁没有受到外部力和力矩干扰时，产生的周期性振动频率，所以，固有频率是系统的固有属性，它与既定的系统有关，而与初始条件和运动状态无关。
实际应用当中，希望加速度计的第一阶固有频率越大越好，可以利用ANSYS 中的静态分析来考察加速度计在一定的加速度环境中，加速度计悬臂梁的应力和应变分布，使压敏电阻工作在弹性形变区域，从而保证了悬臂梁压阻式加速度计的线性和精度。
加速度计的基本参数包括两类：结构参数和材料参数。
结构参数包括悬臂梁的厚度、长度、宽度、质量块的高度、质量、宽度等参数。
材料参数包括基底硅的氏模量、泊松比、密度。
悬臂梁压阻式加速度传感器的梁是采用硅材料制作的，测量电阻是利用扩散工艺法制成的半导体扩散电阻。
而扩散工艺涉及到掺杂离子的浓度，而温度又是影响掺杂离子浓度的一大因素。
掺杂离子浓度的变化导致电子迁移率发生变化，扩散电阻的阻值随之变化。
因此，必须考虑半导体材料温度特性对加速度传感器测量结果的影响。
敏感元件工作时随着环境温度的变化，其性能参数也会有所变化。
这种变化虽然微小，可是有时是不能忽略的，带来的误差需要采取有效的补偿措施。
4.硅微加速度传感器的应用情况及前景惯性导航和制导系统在导弹、飞机、航舰、战车等的导航制导系统中，必须要有准确的速度和位置信息，而加速度传感器可以在运动体直接测量其加速度，进而得到速度和位置信息。
其测量精度高、动态性能好。
（1）倾斜测量与调平系统在重力场中，加速度传感器可以测量重力加速度变化。
当其敏感轴向垂直于水平面时，加速度传感器指示单位重力加速度，若敏感轴向发生倾斜，输出为倾斜角度的正弦函数。
利用这一原理，可以用作倾斜测量和调平，如火控炮瞄雷达、防空雷达的调平。
此外，还可通过测量火车、汽车的倾向加速度来控制倾斜角度，可使其在弯道上仍可高速行驶。
（2）安全防撞系统安全气囊是提高汽车行驶安全性的重要部件，通过对前撞、后撞或侧撞信息的检测，当出现可造成人生理伤害的加速度值时，便给出一个指令，使气囊迅速充气，这样就避免使乘员撞在坚硬的部件上而发生伤亡，大大提高了汽车的安全性。
（3）提高电梯、车辆等的舒适性通过测量纵向、横向及垂直加速度，改善车辆的控制和稳定性。
加速度传感器将测出车辆颠簸或路面不平引起的垂直加速度输入悬架控制系统，使颠簸得以降低，大大提高乘坐的舒适性。
（4）医疗器械心率响应式起搏器，它应用加速度微传感器检测心脏运动，然后用高级的信号处理技术将测得的加速度信号转换成适当的起博率，使起博率与病人身体活动量的大小成正比。
这种形式的起搏器不管是对小运动量的运动，还是对快速晃动那样的大运动量的运动，均能使心率缓慢地变化。
5.参考文献[1]以材，玉岭，孟庆浩．压力传感器的设计制造与应用[M]．：冶金工业，2000，2~6[2]席占稳.压阻式硅微加速度传感器的研制[J].传感器技术，2013，22(11)：31~33[3]军俊，理天，景铭. 新型硅微加速度传感器的设计与制作[J]. 清华大学学报（自然科学版），1999，39 (SI)：84~87[4]汪延成. 仿生蜘蛛振动感知的硅微加速度传感器研究[D].大学,2010.[5]伟. 高g值硅微加速度计的结构设计与分析[D].理工大学,2005.[6]隋丽,石庚辰. 压阻式硅微加速度传感器的结构设计与仿真[J]. 探测与控制学报,2003,S1:52-55.[7]建碧. 基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器的设计[J]. 电子科技,2009,10:40-42.[8]郝颖. 微机械加速度计的测试与应用研究[D].工程大学,2002.。