压阻式传感器
mems压阻式传感器工作原理
mems压阻式传感器工作原理
Mems压阻式传感器是一种基于微机电系统(Microelectromechanical Systems, MEMS)技术制造的压力传感器，通过测量薄膜电阻的变化来检测压力的变化。
工作原理如下：
1. 薄膜制备：在压阻式传感器的芯片上制备一层薄膜，通常使用硅材料制成。
2. 压力感应：当外部施加压力到传感器上时，薄膜会发生变形，变形程度与压力的大小成正比。
3. 电阻变化：薄膜上有一系列的电阻，这些电阻会随着薄膜的变形而发生改变。
通常，薄膜上的电阻布局为一系列细长电阻条，形成一个电桥电路。
4. 电桥电路：电桥电路是由两个电阻共享电流的分压电路。
薄膜上的电阻条为电桥电路提供输入电阻。
当薄膜发生变形时，电桥的电阻比例会发生变化，从而改变了电桥的电压输出。
5. 信号处理：电桥的电压输出信号经过相关的放大和滤波电路进行处理，并转换成数字信号。
6. 压力测量：通过测量电桥输出信号的变化，可以判断外部压力的大小和变化。
Mems压阻式传感器因其小型化、高精度和低功耗等特点，在压力、重力、加速度等方面的测量中得到广泛应用。
压阻式压力传感器
掩膜版
步骤四：标准淡硼预扩散或离子注入，在经过标准再分布或退火 形成方块电阻率在80-250W可控的压阻，结深1-3微米。
• 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终不变。
• 有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先淀积一层杂质，在 整个扩散过程中以这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源 补充。
1 硅片的清洗处理
2涂胶：涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
3 前烘：经过甩胶之后的光刻胶虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但含有10%~ 30%的溶剂，容易沾染灰尘。通过在较高温度下进行烘焙，使溶剂从光刻胶中挥发出来。 4 对准与曝光：曝光的光源为紫外光的汞灯，形成平行光束垂直照射到硅片上。受到光照 的光刻胶发生光化学反应，其内部分子结构发生变化。 5 显影：把曝光后的基片放在显影液里，将应除去的光刻胶膜溶除干净，以获得所需要 光刻胶的图形。
2）湿氧氧化：氧气通过盛有950C高纯去离子水的石英瓶后携带水汽到硅片 表面发生氧化反应： Si+O2SiO2 Si+2H2OSiO2+2H2 优点：生长速率较快；缺点：与光刻胶粘附性不好。
（3）氢氧合成氧化：在常压下分别是将纯H2 和纯氧直接通入石英管内，使之在一定温度燃 烧生成水，水在高温下氧化后与硅反应生成 SiO2，生长速度比湿氧快，膜质量好、纯度高。
• 两步扩散：实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，在
这样的温度范围内，常用杂质，如硼、砷等在硅中的固溶度
随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低表面
浓度的杂质分布形式。实际生产中将扩散过程分为两步完成。
其中第一步称为预扩散或者预淀积，第二步称为主扩散或再
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
∴
总结压阻式压力传感器的一般检测方法
总结压阻式压力传感器的一般检测方法压阻式压力传感器是一种常用的测量压力的传感器，其原理是基于材料的压阻效应。
为了确保传感器的准确性和稳定性，需要进行一般的检测方法。
以下是总结的一般检测方法：1. 外观检查：首先，对压力传感器进行外观检查，包括检查传感器外壳是否完整、有无损坏，是否有明显的划痕或变形等。
确保传感器外观正常可靠。
2. 线路连接检查：检查传感器的电气连接，包括检查传感器与接收器之间的线路连接是否正确牢固，检查所有电连接器是否无松动或断裂。
确保传感器与电路之间的连接良好。
3. 零点检测：通过此检测方法，测量压力传感器在无压力状态下的输出信号。
将传感器暴露在零压条件下，记录输出信号。
正常情况下，压力传感器在无力作用时应输出稳定的零信号。
4. 线性度检测：线性度是指压力传感器输出与输入压力之间的直线关系。
可通过在一定范围内施加等间隔的压力，记录传感器的输出信号。
然后，根据斜率和截距计算其线性关系。
理想情况下，传感器应该有良好的线性关系。
5. 灵敏度检测：灵敏度是指压力传感器输出信号与输入压力变化之间的关系。
可以通过在不同压力范围内改变输入压力，并记录传感器的输出信号，计算出输出信号相对于输入信号的变化量。
传感器的灵敏度应保持稳定并与规格相符。
6. 温度特性检测：压力传感器的温度特性直接影响其测量的准确性。
进行温度特性检测时，将传感器暴露在不同的温度环境下，并记录传感器的输出信号。
比较传感器在不同温度下的输出，确保传感器对温度的响应在规格范围内。
总之，以上是总结的压阻式压力传感器的一般检测方法，通过这些方法可以确保传感器的质量和性能符合要求，提供可靠准确的压力测量结果。
硅基压阻式压力传感器工作原理
硅基压阻式压力传感器工作原理硅基压阻式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它利用薄膜材料的机械变形特性，将外界施加的压力转化为电信号输出。
本文将详细介绍硅基压阻式压力传感器的工作原理以及其应用领域。
一、硅基压阻式压力传感器的结构与组成硅基压阻式压力传感器由四个主要部分组成：薄膜材料、传感电路、导线和封装壳体。
1. 薄膜材料硅基压阻式压力传感器的核心元件是由硅薄膜组成的压敏电阻器。
薄膜的制备通常采用微电子加工技术，将高纯度的硅片通过化学腐蚀等方法，制作成微米级厚度的薄膜。
2. 传感电路传感电路是将薄膜材料的电阻变化转化为电信号的重要组成部分。
传感电路通常由电桥电路构成，其中包括一个或多个传感电阻和补偿电阻。
3. 导线导线将传感电路连接至外部的电子设备，将传感器的输出信号传递出去。
4. 封装壳体封装壳体是为了保护传感器内部的组件，并提高传感器的可靠性和耐用性。
封装壳体通常由金属或塑料材料制成。
二、硅基压阻式压力传感器的工作原理1. 压力作用下的薄膜变形当外界施加压力作用于硅基压阻式压力传感器时，薄膜材料会发生一定程度的弯曲变形。
这是因为薄膜具有压电效应，当压力施加在薄膜上时，薄膜的形状会发生变化。
2. 电阻的变化薄膜材料的形变会导致材料内部的电阻发生变化。
通常情况下，当薄膜材料被压缩时，电阻值会有所增加；当薄膜材料被拉伸时，电阻值会有所减小。
3. 传感电路的作用传感电路通过连接在传感器上的电桥电路，对电阻值的变化进行检测和测量。
电桥电路通常由一个或多个传感电阻和补偿电阻组成。
当压力作用下，薄膜材料产生形变，导致传感电阻值的变化，进而引起电桥电路失衡。
传感电路通过检测电桥电路失衡的大小，将失衡量转化为电压或电流信号输出。
4. 输出信号的转化传感器的输出信号可以是电压信号或电流信号，其数值与受测压力成正比。
通过对输出信号的测量和计算，可以得到被测压力的实际值。
三、硅基压阻式压力传感器的应用领域硅基压阻式压力传感器具有结构简单、精度高、响应速度快、线性度好等特点，广泛应用于各个领域的压力测量和控制中。
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
压阻传感器的原理与结构
2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
1—靶,2—阴极, 3—直流高压, 4—阳极,5—基片, 6—惰性气体入口, 7—接真空系统。
4.压阻式传感器的制造工艺
1.薄膜技术---化学气相淀积 化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与 另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积 物质,淀积在基底上生成薄膜。
(a )
(b )
(c)
压阻式传感器的制造工艺
2.微细加工技术---表面腐蚀加工
该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种 悬式结构。
Si3 N4 SiO2
N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
5.压阻式传感器的测量电路
压阻式传感器的测量电路
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
2.压阻式传感器的结构
压阻式传感器的结构
压阻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（如 图）。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。图中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。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。
1.薄膜技术---真空蒸镀
2 1 3
4
在真空室内,将待蒸发的材料 置于钨丝制成的加热器上加热,当 真空度抽到0.0133Pa以上时,加大 钨丝的加热电流,使材料融化,继续 加大电流使材料蒸发,在基底上凝 聚成膜。
mems压阻式压力传感器的应用实例
mems压阻式压力传感器的应用实例压阻式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它利用受压导电材料的电阻值随受压程度的变化而发生变化的原理进行压力传感。
下面将介绍几个压阻式压力传感器的应用实例。
1.汽车行业压阻式压力传感器在汽车行业得到广泛应用。
例如，在汽车的发动机控制系统中，压阻式压力传感器可以用于测量燃料压力、废气压力等参数，以便发动机控制单元能够准确控制燃料喷射和排放系统。
此外，压阻式压力传感器还可用于测量轮胎压力，实现胎压监测功能，并提醒驾驶员及时进行充气。
2.工业自动化压阻式压力传感器在工业自动化领域也有广泛应用。
例如，在液压系统中，压阻式压力传感器可以测量液体的压力，为系统提供实时的压力信息，以确保系统的稳定运行。
此外，在气压系统中，压阻式压力传感器可以实现对气体流量、压力的精确测量，并为系统的控制提供必要的数据支持。
3.医疗设备压阻式压力传感器在医疗设备中的应用也非常广泛。
例如，在呼吸机和血压监测设备中，压阻式压力传感器可以测量呼吸气流和血压的变化，以帮助医生对患者的呼吸和心血管状况进行监测和诊断。
此外，压阻式压力传感器还可用于测量人体接触物体的力度，如人体姿势检测、床垫压力监测等。
4.石油与天然气工业压阻式压力传感器在石油与天然气工业中的应用非常重要。
例如，在油井探测设备中，压阻式压力传感器可测量井口的压力，为石油开发提供必要的数据支持。
此外，在管道运输系统中，压阻式压力传感器可用于测量管道的压力和流量，以确保管道的安全运行。
5.空调与制冷设备压阻式压力传感器在空调与制冷设备中也有广泛应用。
例如，在冷冻空调系统中，压阻式压力传感器可以测量制冷剂的压力和温度，以保证系统的高效运行。
此外，在家用空调中，压阻式压力传感器还可用于测量空气流量和空气质量，提供舒适的室内环境。
综上所述，压阻式压力传感器在各个领域的应用非常广泛。
通过测量压力变化，它可以帮助实现对各种参数的准确测量和控制，为相关行业的设备和系统提供数据支持，提高生产效率和产品质量。
四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点压力传感器是一种用于测量物体受到的压力变化的装置。
它们在工业领域中广泛应用，能够检测和监测各种物体的压力变化，从而保证生产过程的安全性和稳定性。
根据工作原理的不同，压力传感器可以分为四种类型：扩散硅压力传感器、电容式压力传感器、电阻式压力传感器和压阻式压力传感器。
1.扩散硅压力传感器：扩散硅压力传感器是最常见的一种压力传感器。
其工作原理是利用硅片的绝缘层将传感器分成两个区域，一个区域位于压力源下方，另一个区域位于压力源上方。
当外界压力作用在硅片上时，上下两个区域之间的电荷会发生变化。
通过测量这个电荷变化，可以得到物体受到的压力。
该传感器具有较高的精度和灵敏度，可以测量较小的压力变化。
2.电容式压力传感器：电容式压力传感器是通过测量电容变化来检测压力的。
它由两个金属电极构成，当外界压力施加在电极上时，电极之间的电容会发生变化。
通过测量电容的变化，可以推导出物体所受到的压力大小。
电容式压力传感器具有较高的灵敏度和快速的响应速度，适用于高频压力变化的测量。
3.电阻式压力传感器：电阻式压力传感器是利用电阻值的变化来测量压力的。
它由感应电阻体和测量电路组成。
当外界压力作用在感应电阻体上时，电阻值会发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以确定物体所受到的压力。
电阻式压力传感器具有较高的稳定性和可靠性，可以适应各种环境条件下的测量需求。
4.压阻式压力传感器：压阻式压力传感器是利用电阻值与应变之间的关系来测量压力的。
它由弹性材料和导电材料构成。
当外界压力作用在弹性材料上时，材料会发生应变，导致导电材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以得到物体所受到的压力。
压阻式压力传感器具有较高的精度和可靠性，适用于高温和高压环境下的压力测量。
以上是四种常见的压力传感器的工作原理和特点。
它们各自具有不同的优点和适用范围，在工业控制和自动化领域中发挥着重要的作用。
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。
压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器的工作原理
一、引言
1.1 任务背景
1.2 任务目的
二、压力传感器的分类
2.1 压力传感器的基本原理
2.2 主要分类方法
三、压阻式压力传感器概述
3.1 压阻式传感器的定义
3.2 压阻式传感器的优势
3.3 压阻式传感器的应用领域
四、压阻式压力传感器的结构组成
4.1 压阻式传感器的基本结构
4.2 压阻式传感器的材料选择
4.3 压阻式传感器的制作工艺
五、压阻式压力传感器的工作原理
5.1 压阻式传感器的基本工作原理
5.2 压阻式传感器的压力测量原理
5.2.1 钢片弯曲原理
5.2.2 半导体材料压阻效应原理
5.2.3 液体柱压弯曲原理
六、压阻式压力传感器的特性与参数
6.1 线性度
6.2 灵敏度
6.3 频率响应
6.4 温度特性
七、压阻式压力传感器的应用案例
7.1 工业领域应用案例
7.2 汽车领域应用案例
7.3 医疗领域应用案例
八、压阻式压力传感器的未来发展方向
8.1 微型化
8.2 特殊材料应用
8.3 无线通信技术的应用
九、总结
以上是对压阻式压力传感器的工作原理的全面详细探讨。
压阻式压力传感器是一种应用广泛的传感器，具有灵敏度高、精度高、可靠性好等优势。
文章通过对传感器的基本工作原理、传感器结构组成、工作过程和特性参数等方面的分析，展示了压阻式压力传感器的优势和应用。
未来，压阻式压力传感器有着更广阔的发展前景，例如微型化、特殊材料应用和无线通信技术的应用等。
随着科技的进步，压阻式压力传感器在各个领域的应用将会越来越重要。
压阻式传感器
称为半导体的压阻效应。前面已有结论：
R 2 E (1 2) E
R 半导体材料则有：（1+2μ）<<πE，即：
R E
R
(2.71)
不同类型的半导体，具有不同的压阻系数；载荷施加的 方向不同，压阻效应大小也不相同。为描述不同方向的压 阻效应，需要了解半导体材料的晶向概念。
单晶硅是目前使用最多的。其晶向如图2.17所示。
1.2 扩散型压阻式传感器
将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电 P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。 以此为敏感元件制成的传感器称为扩散型压阻式传感器。
1. 工作原理 半导体材料一般是各向异性材料，压阻系数与晶向有
关。当受到任意方向的应力后，扩散型电阻相对变化为：
R R
l l
P型单晶硅，应力沿[111]晶
z [001]
轴，可得最大压阻效应；
N型单晶硅，应力沿[100]方
[111]
向时，可得最大压阻效应。制作
o
应变片时，沿所需的晶轴从硅锭
[010]
y
上切出一小条，作为应变片的电 x [100]
[100]阻材料（敏感来自）。图 2.17 半导体的晶向
2. 结构和主要特性 半导体应变式结构形式也是由敏感栅、基片、覆盖层和
传感器技术及应用
压阻式传感器是基于半导体材料的压阻效应来工作的传 感器。分半导体应变式压阻传感器和扩散型压阻传感器。
1.1 半导体应变式传感器
利用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片（称半导 体应变片），用此制成的传感器称为半导体应变式传感器。
1. 工作原理
由于应力的作用而使半导体材料电阻率发生变化的现象
相等，即 ： RABC RADC 2(R Rt )
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〉。
压阻式传感器的检测原理及应用
压阻式传感器的检测原理及应用一、压阻式传感器的工作原理压阻式传感器是一种能够根据外力大小来改变其电阻值的传感器。
其工作原理基于材料的压阻效应，即当外力作用于传感器时，传感器内部的导电材料会发生形变，进而改变其电阻值。
压阻式传感器通常由导电薄膜、电极和基座等组成。
当外力施加在传感器的感应面上时，导电薄膜会发生微小的形变，导致电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以推算出外力的大小。
二、压阻式传感器的特点1. 灵敏度高：压阻式传感器的灵敏度较高，能够检测到微小的压力变化。
2. 响应速度快：由于压阻式传感器的结构简单，响应速度较快。
3. 成本较低：相比其他类型的传感器，压阻式传感器的制造成本较低。
4. 可靠性高：压阻式传感器没有机械零件，因此具有较高的可靠性和耐久性。
三、压阻式传感器的应用1. 触摸屏：压阻式传感器被广泛应用于触摸屏技术中。
在传感器的感应面上布置导电薄膜，当用户用手指或触控笔对触摸屏施加压力时，传感器可以检测到压力的变化，并将其转化为电信号，从而实现触摸操作。
2. 工业自动化：压阻式传感器在工业自动化领域中也有广泛的应用。
例如，用于测量机械设备或生产线上的压力变化，实现对设备运行状态的监测和控制。
3. 医疗器械：压阻式传感器在医疗器械中的应用也很常见。
例如，用于测量血压、呼吸机上的气压变化以及人体接触的力度等。
4. 汽车领域：压阻式传感器在汽车领域中的应用广泛，例如用于测量车轮胎的压力，实现对胎压的监测和报警功能。
5. 体育器材：压阻式传感器也被应用于体育器材中，例如高尔夫球杆上的传感器可以测量球杆与球的接触力度，从而帮助球员改进击球技术。
总结：压阻式传感器是一种能够根据外力大小改变电阻值的传感器。
其工作原理基于材料的压阻效应，通过测量电阻值的变化可以推算出外力的大小。
压阻式传感器具有灵敏度高、响应速度快、成本低和可靠性高等特点。
在触摸屏、工业自动化、医疗器械、汽车领域和体育器材等领域都有广泛的应用。
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
压阻式压力传感器温度补偿方法
压阻式压力传感器温度补偿方法
1. 简单补偿电路，使用一个温度传感器（如热敏电阻或热电偶）来检测传感器的工作温度，然后通过补偿电路对输出信号进行修正。
这种方法简单易行，成本较低，但精度较低。
2. 数字补偿，利用微处理器或专用的数字信号处理器对传感器
输出信号进行实时数字补偿。
通过预先存储的温度-输出特性曲线，
对输出信号进行精确的补偿。
这种方法精度较高，但需要较复杂的
电路和算法支持。
3. 物理补偿，通过选择工作温度范围较小的传感器或者采用特
殊的材料和结构设计，使得传感器本身在一定温度范围内具有较小
的温度漂移，从而减小温度对输出的影响。
这种方法需要在传感器
设计阶段进行考虑，成本较高，但能够获得较好的温度补偿效果。
4. 自校准技术，利用传感器自身的特性，通过内部电路对温度
变化进行自动补偿。
这种方法能够实现较好的温度补偿效果，但需
要传感器本身具有较高的智能化和自适应能力。
总的来说，压阻式压力传感器的温度补偿方法有多种选择，可
以根据具体的应用需求和成本考虑来进行选择。
同时，对于不同的应用场景，还需要考虑到传感器的动态响应特性、稳定性和可靠性等因素。
压阻式传感器原理
压阻式传感器原理
压阻式传感器是一种将物理量转换为电阻变化的传感器。
它由弹性层、电阻层和基底层组成。
当物体施加在传感器上的压力变化时，弹性层会产生弯曲变形，进而引起电阻层内阻值的改变。
当外部施加压力时，弹性层会发生变形，使其对电阻层施加应力。
电阻层是由导电材料制成的，应力的改变会导致导电材料的电阻值发生变化。
通常情况下，当传感器受到更大的压力时，导电材料的电阻值会减小，反之则会增加。
为了测量电阻层的电阻值变化，需要将传感器连接到一个电路中，通常是一个电桥电路。
电桥电路会通过测量电阻层两个相对端口之间的电压，来确定电阻层的电阻值。
从而可以将物理量转化为电信号。
压阻式传感器的原理可以用于测量各种物理量，如力、压力、重量等。
通过校准和精确设计，可以实现高精度的测量。
- 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)。
压阻式传感器
压阻式传感器
piezoresistance type transducer
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。
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）。
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（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，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。
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（图1）。
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。
图1 中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。
图2中是两种微型压力传感器的膜片，图中数字的单位为毫米。
此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。
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，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。
发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。
早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。
后来在 N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。
此芯片仍需粘贴在弹性元件上
才能敏感压力的变化。
采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。
这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。
70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的
一体化硅杯式扩散型压力传感器。
它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。
这种新型传感器的优点是:①频率响应高(例如有的产品固有
频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径
可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可达0.1～0.01％；④灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；⑤无
活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。
其缺点是温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和
造价高等。
应用压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。
在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部
压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。
压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。
例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。
在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。
在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。
在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。
单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22％。
在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的
检测工具。
已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。
图3是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以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方
面的测量。
此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。
随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。
(注：该资料为参考内容，并非教材资料)。