现代传感器技术基础与应用优秀课件

主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数
P型压敏电阻的变化率为 R R l lt t 7.8 1 l 6.3 6 t 1 5 0
N型压敏电阻的变化率为
R R l lt t 3.2 1 l 1.6 7 t 1 5 0
压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥
R1 R3
R4' R2'
壳绝缘电阻：＞Ω
安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm
微传感器的分类
按传感机理分
压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流
按物理参数分
力（加速度/压力/声） 热（热电偶/热阻） 光（光电类） 电磁（磁强计） 化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）
微传感器的敏感原理 (1)压阻敏感原理
（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安 装、调试容易，提高测量精度；
（4）避免了非线性补偿环节。 实际上许多传感器的输出—输入特性是非线性
的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般用多项 式表示输出—输入特性。
y a 0 a 1 x a 2 x 2 .. a .n x n
附例：一个微加速度传感器的指标
S+
R2 R4
输出电压Байду номын сангаас
R3' R1'
O+
S2- S1-
O-
惠斯顿电桥连接图
Uo RRUi
(2)电容敏感原理
利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感 元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。
电容式微传感器的基本结构
平行板电容器的电容为
C 0 A
间隙变化型：改变两极板间隙δ 面积变化型：改变形成电容的有效面积A
现代传感器技术基础与应用优秀 课件
本章主要内容
微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例 微传感器的应用
微传感器的概念
微传感器：基于MEMS工艺的，能把被测物理量 转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输 元件组成。
MEMS微传感器原理框图
微传感器的概念
微传感器是今天最广泛使用的MEMS器 件，通常使用集成电路工业中发展起来的 手段和技术来制造，比如微金属版印制技 术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器 制造开发的新技术。
C1
A 0
C2
A 0
1 1 2
C1 C2 A
C2 C1 C2 C1 0
(3)隧道电流敏感原理
在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压， 当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过 两者之间的势垒，形成隧道电流。
膜
质量块
输入 感应 力方 向
隧道电流 隧道探针
隧道电流式微传感器的基本结构
灵敏度：100mV/g
量程：50g
频率范围：0.5-8000Hz（±10%)
安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g
抗冲击：2000g
重量：8mg
安装螺纹：M5 mm 线性：≤1%
横向灵敏度：≤5% 典型值：≤3%
输出阻抗：＜150Ω
激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC
温度范围：-40～+120℃
介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
间隙变化型电容式微传感器
C C
1 1
利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
C C 1 2 n
略除高阶无穷小项，得
C C
这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为
KCd dS2
d 100%
d
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪 声小、温度系数小以及动态性能好等特点。
隧道电流随距离d的变化曲线
(4)压电敏感原理
压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作 用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的 电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态 。
频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作
的频率区间。
微传感器的概念
灵敏度
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特 性的斜率，即 Sn 。 y非x线性传感器的灵敏度为一 变量。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范 围内是恒定的，即传感器的输出--输入特性为直 线。
微传感器的概念
线性度
传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线 性程度。传感器的理想输出—输入特性是线性的， 它具有以下优点： （1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算； （2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线 性输出—输入特性上的两点就可以确定其余各点。
当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显 著变化的效应称为压阻效应。
在外力的作用下，结 构中的薄膜或梁上产 生应力分布，应力的 存在使得压敏电阻的 阻值发生变化
E
压阻变化的具体过程
电阻的基本关系式 电阻率的变化率 电阻的变化率
L
R A
d π
d R π 1 2 d L π E 1 2 K
微传感器的概念
微传感器的技术指标： 量程：测量范围上限值和下限值的代数差。 灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值 线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。 分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最
小变化量。
零轴稳定性 重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试
时所得特性曲线不一致程度。
R Rπ11πtt πss
其中
π11πtt
π 1 π 1 2 π 1 1 π 1 1 π 4 2 l 1 2 m 4 1 2 m 1 2 n 1 2 l 1 2 n 1 2
π t π 1 2 π 2 1 π 1 1 π 4 2 l 1 2 l 2 2 4 m 1 2 m 2 2 n 1 2 n 2 2
R
L
其中，
KπE12
π为压阻系数
1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化
引起，因此 1起2主要作用；
2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的 变化引起，因此 起πE主要作用；
3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在 70-170之间。
在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏
电阻，电阻的变化率与应力的关系为
It
V bex p d
V为b 直流驱动电压，单位为V； 为I t 隧1道电流，单
位为A；为常数，等于 10.25nm；1e为V2有效隧
道势垒高度，单位为eV；d为隧道电极间距，单位 为nm。在标准情况下(0.5 eV，1nm)，隧道电极 间距d 变化0.1nm时，隧道电流I t 改变2倍。利用 这个原理，可以设计各种微传感器。