第三章 应变传感器

第3章 应变传感器
3.2
3.2.1 薄膜有两种分类方法：按薄膜厚度分类和按薄膜结构形 1.
(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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(2) 半连续膜。这种膜的厚度在10－8～2×10－8 m之间，
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第3章 应变传感器
3.1 3.2 3.3 3.4 电阻应变传感器 薄膜应变电阻及传感器 电阻应变传感器使用中应注意的一些问题 电阻应变传感器应用——起重量限制器
思考题与习题
第3章 应变传感器
3.1
3.1.1 1. 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
3)
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、 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
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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 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
l R (3.1) S 当受到一个沿着长度方向的纵向应力时，由于几何形状
及内部结构发生变化，因此将引起电阻值的变化。对式(3.1) 进行全微分可以求得电阻值的变化为 L L dR d dL 2 dS
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薄膜应变片可以同弹性体结合在一起，构成整体式薄膜
传感器；也可以制成单一的薄膜应变片，再粘贴在弹性体上 构成传感器。前者使用最多，可避免后者因粘片工艺所带来 的误差因素(如蠕变、滞后等) 用薄膜技术制成的合金型应变片和传感器的稳定性很高， 电阻温度系数又很小(一般为(10－5～10－6)／℃数量级),这些 都是半导体应变片式传感器和扩散型传感器所不及的。薄膜 应变传感器适用于航天、航空工业，以及对稳定性要求较高
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3.2.2
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
令k=1+2μ+πE，则
dR k R
(3.4)
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式(3.4)表明材料电阻的相对变化和应变之间的比例关系。
k称为材料的灵敏系数或应变因子。其物理意义为材料发生 单位应变时的电阻变化率。由k的表达式可知，材料的灵敏 系数由两个因素决定：一是1+2μ，它由材料的几何尺寸的 变化引起；另一个是πE，由材料受力后电阻率发生的变化 如果应变感压材料为金属，那么，由于它的电阻率基本 上与应力无关， πE值很小，可以忽略，因此这时材料的灵 敏系数主要取决于几何尺寸的变化。在弹性形变范围内，k 在1.5～2
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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 1) 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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(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， (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
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薄膜应变片及传感器的量程很大，现已制成的有大量程
称重、加速度、压力传感器等。扩散Si压力传感器的量程一 般不太大，这是因为扩散Si的感压元件就是Si本身。由于Si 较脆，因此不宜承受较大载荷。近年来，也有人采用所谓 “硅堆”形式来制造大量程的力类传感器，但仍有许多问题 不好解决。总之，薄膜应变片及传感器是很有发展前途的传 图3.2和图3.3分别是一种薄膜应变片及传感器和粘贴式、 非粘贴式压力传感器在室温下的蠕变曲线及零点漂移曲线。
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4)
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 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) 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
(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. (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
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图3.2 薄膜传感器在室温下的蠕变曲线
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图3.3 薄膜传感器在室温下的零点漂移曲线
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图3.2和图3.3所示的曲线是这样测定的：在室温下，保
持不加载一小时进行调零，然后加上满量程压力并保持一小 时，同时记录在两个小时内的输出电平，作出偏离满度的数 值同时间的关系曲线。然后，去除压力，记录两小时内偏离 零点的数值与时间的关系曲线。图中所用的CEC1000型传感 器是一种溅射合金薄膜压力传感器。该传感器的蠕变与零点 漂移都远比粘贴式和非粘贴式压力传感器的低，在室温下其 蠕变和零漂曲线几乎同时间轴重合。图3.4和图3.5分别是温 度为120℃时的蠕变曲线和零漂曲线。由图3.4和图3.5可看出, 当温度升高时，蠕变和零漂都增大。无论哪种传感器，在使 用时都必须考虑这一问题。值得注意的是，蠕变和零漂一般
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
电阻丝与基底粘贴在一起；引出线4，用来连接测量导线。
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图3.1 应变片的结构
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2.
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 (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 ℃ 变片(300 ℃以上)和低温应变片(低于－30 ℃) )、高温应
四个相同的电阻。这四个电阻接成电桥，并且将阻值增加的 两个电阻对接，将阻值减小的两个电阻对接，使电桥的输出
最大。但半导体电阻应变敏感元件的温度漂移必须引起注意。
给电桥用恒流源供电，可以最大限度地克服温度的影响。如
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果给电桥用电压源供电，则要注意温度升高，传感器灵敏度
下降的问题。此时，可采用自动改变电源电压大小的方法来 进行温度漂移的补偿。温度升高，传感器灵敏度下降，这时 如果使电桥的电源电压提高，则将使电桥的输出增大，从而 可达到补偿的目的。反之，温度降低时，传感器灵敏度升高， 这时如果使电桥的电源电压降低，则将使电桥的输出减 小，也可达到补偿的目的。图3.6为一种灵敏度K温度漂移的
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半导体材料具有良好的弹性性能和压阻效应(当半导体
受到压力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发 生变化的现象)，它的压阻系数很大，k主要由πE决定，可高 达100以上。所以，可以制作出灵敏度很高的应变片和压力 3.2.3 薄膜应变片及传感器与扩散硅等传感器相比，其制造工 艺环节要少得多。它的主要制造工艺环节是成膜工艺(如溅 射、蒸发等)。由于工艺环节较少，因此工艺周期较短，成
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2)
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 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
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图3.7 几种简单的弹性元件示例
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图3.8～图3.13
图3.8 包头永华仪器仪表有限公司生产的802B小巧型压阻式压力变送器
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图3.9 包头永华仪器仪表有限公司生产的800A扩散硅压力变送器
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合金型薄膜应变片的灵敏系数较低(一般约为1.7～2.2左
右)，大体同金属丝式和箔式应变片的相当。半导体Ge、Si 薄膜应变片及传感器具有较高的灵敏系数(一般为30以上)， 其电阻温度系数约为10－5／℃数量级。此外，薄膜应变片的 阻值可做得很高，通常均可做到几千到几万欧姆，因而可在 薄膜应变片及传感器由于制造工艺的特点，其参数一致 性远较半导体型和扩散型的高，适于大量生产，成本低廉。 对薄膜应变片及传感器反复加载106次以上，其仍能正
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图3.6 一种灵敏度K温度漂移的补偿电路
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该电路利用三极管V基极与发射极间PN结敏感温度的大
小，使三极管V输出电流发生变化，改变管压降Uce的大小, 从而使电桥的电源电压U′得到改变，最终达到补偿的目的。 温度升高，传感器灵敏度K
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2.
如果选用粘贴式电阻应变片作电阻应变传感器，则要根 据现场实际情况认真设计或选择粘贴电阻应变片的弹性元件。 凡是能够传递应变的弹性材料都可以作为弹性元件。但要考 虑工作环境、安装部位、空间大小、受力形式、粘合剂性能、 量程范围、精度要求等因素。图3.7为几种简单的弹性元件 示例。图(a)为圆柱、圆筒型，图(b)为簿壁环型，图(c)为拉 环型，图(d)为两端固定梁型，图(e)为悬臂梁型，图(f)为框
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图3.4 120 ℃时薄膜传感器的蠕变曲线
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图3.5 120℃时薄膜传感器的零漂曲线
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3.3
1.
电阻应变传感器使用中应注意的一些问题
现在常用的电阻应变传感器一般都选用半导体材料。半
导体材料的温度稳定性差。电阻应变传感器受到温度影响后
通常制作半导体电阻应变敏感元件时，在基片上扩散出
S S S
(3.2)
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用相对变化量表示，则有
L L d dL dS 2 dR S d dS / S dL S S (3.3) 1 L L L R dL / L L S S S
由式(3.3)得
dR (1 2 E ) R