2_2浙江工大压阻式传感器.ppt

传感器与检测技术 作者：马修水 2.2压阻式传感器 金属电阻应变片性能稳定、精度较高。这类应变片的主要缺点是应变灵敏系数较小。 20世纪50年代中期出现的半导体应变片可以改善这一不足，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50倍，主要有体型半导体应变片和扩散型半导体应变片。 用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 2.2.1 半导体压阻效应和压阻式传感器工作原理 1．半导体压阻效应和压阻式传感器工作原理 半导体的压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象。不同类型的半导体，施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样。目前使用最多的是单晶硅半导体。 对于长l，截面积S，电阻率ρ的条形半导体应变片，在轴向力F作用下利用式（2.1.5）的结果，对于金属材料，Δρ/ρ项值很小，可以忽略不计；对半导体材料，Δρ/ρ项值很大，因此可得： 半导体单晶的应变灵敏系数可表示为 (2.2.2) 式中，E — 半导体应变片材料的弹性模量； πL — 半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小。 2． 体形半导体应变片的结构形式 体型半导体电阻应变片是从单晶硅或锗上切下薄片制成的应变片，结构型式见图2.2.1。 图2.2.1 体型半导体应变片的结构形状 半导体应变片的主要特点： 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍。通常不需要放大器就可以直接输入显示器或记录仪，可简化测试系统； 横向效应和机械滞后极小； 半导体应变片的温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多，很难用它制作高精度的传感器，只能作为其他类型传感器的辅助元件。 2.2.1 测量电路和温度补偿 1．半导体电阻应变片的测量电路 在半导体应变片组成的传感器中，均由4个应变片组成全桥电路，将4个应变片粘贴在弹性元件上，其中2个应变片在工作时受拉，而另外2个则受压，从而使电桥输出的灵敏度达到最大。电桥的供电电源可采用恒流源，也可以采用恒压源，因此，桥路输出的电压与应变片阻值变化的关系有所不同。 直流电阻电桥电路，但须采用温度补偿措施，如图2.2.2所示。 图2.2.2 温度补偿电路 2.零点温度补偿 零点温度漂移是由于4个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻的方法进行补偿，如图2.2.2所示。 3．灵敏度温度补偿 灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的温度灵敏系数为负值。 补偿灵敏度温漂可以利用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高电源的电压，使电桥的输出适当增大，便可达到补偿目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。由于二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1℃时，正向压降约减小1.9~2.4mV。 将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见图2.2.2。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。 2.2.3压阻式传感器应用 在航空工业，用硅压力传感器测量机翼气流压力分布，发动机进气口处的动压畸变。 在生物医学中，将10μm厚的硅膜片注射到生物体内，可做体内压力测量，插入心脏导管内测量心血管，以及颅内、眼球内压力。 兵器工业也使用压阻式传感器来测量爆炸压力和冲击波，测量枪炮腔内压力。压阻式传感器所需电流小，在可燃体和气体许可值以下，是理想的防爆压力传感器，所以也用于防爆检测。 1. 扩散型压阻式压力传感器 为了克服半导体应变片粘贴造成的缺点，采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜，制成扩散型压阻式传感器。扩散型压阻式传感器的原理与半导体应变片传感器相同，不同之处是前者直接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，后者是用黏结剂粘贴在弹性元件上。 图2.2.3（a）是扩散型压阻式压力传感器的简单结构图，其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置有4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2.2.3（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