传感器原理b8.ppt

第8章 压阻式传感器 8.1 压阻式传感器的工作原理 8.2 晶向的表示方法 8.3 压阻系数 8.4 影响压阻系数的因素 8.5 压阻式传感器的结构与设计 8.6 压阻式传感器的测量电路及补偿 8.7 压阻式传感器的应用 固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。 分类: 粘贴型压阻式传感器(传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片) 扩散型压阻式传感器(它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。 8.1 压阻式传感器的工作原理 任何材料电阻的变化率都由下式决定 对金属而言，上式中的?第一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而Δl/l与Δs/s两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要是由Δl/l与Δs/s两项引起的，这就是金属应变片的基本工作原理。对半导体而言，上式中的Δl/l与Δs/s两项很小，即尺寸的变化率很小，可忽略不计，而 一项较大，也就是电阻率变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由? 一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。 如果引用 式中p 为压阻系数，s 为应力，再引进横向变形的关系，则电阻的相对变化率可写成 式中 k——灵敏系数 对金属来讲，πE有时可忽略不计，而泊松系数μ= 0.25～0.5，故近似地有 对半导体来讲，1+2μ可忽略不计，而压阻系数π =（40～80）×10-11Pa，弹性模量E = 1.67×1011Pa，故 式中 ky——半导体材料的灵敏系数。 此式表示，压阻式传感器的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的50～100倍。综上所述，半导体材料电阻变化率ΔR/R主要是由Δr/r 引起的，这就是半导体的压阻效应。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，它使载流子产生从一个能谷到另一个能谷的散射，载流子的迁移率发生变化，扰动了纵向和横向的平均有效质量，使硅的电阻率发生变化。这个变化率随硅晶体的取向不同而不同，即硅的压阻效应与晶体的取向有关。 8.4 影响压阻系数的因素 影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和环境温度。压阻系数与扩散杂质表面浓度Ns的关系如图所示。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小；表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的（绝对）值高，因此选P型硅有利于提高敏感元件的灵敏度。 压阻系数与环境温度的关系如图所示，表面杂质浓度低时，随温度升高，压阻系数下降快；提高表面杂质浓度，随温度升高，压阻系数下降趋缓。从温度影响看，扩散杂质的表面浓度高些好。但提高扩散浓度也要降低压阻系数；而且高浓度扩散时，扩散层P型硅与衬底（膜片）N型硅间PN结耐击穿电压也下降，从而使绝缘电阻下降。总之，对压阻系数、绝缘电阻以及温度的影响诸因素要综合考虑。 8.5.2 扩散型压阻式压力传感器 四个电阻的配置位置： 均布压力P产生的应力是不均匀的，且有正应力区和负应力区。利用这一特性，选择适当的位置布置电阻，使其接入电桥的四臂中，两两电阻在受力时一增一减，且阻值增加的两个电阻和阻值减小的两个电阻分别对接。这样既提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。因此，压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路。 扩散型压阻式压力传感器 特点 优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。 8.5.3 压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器的原理结构如下图所示。它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面 ，并接成电桥。当悬臂梁自由端的质量块受加速度作用时，悬臂梁受弯矩作用产生应力，其方向为梁的长度方向。从而使四个电阻中两个电阻的应力方向与电流一致，另两个电阻的应力方向与电流垂直。 测量电路通常是采用电桥电路，电桥的电源既可采用恒压源供电也可采用恒流源供电，下面分别讨论。 8.6.1 恒压源供电 假设