第三章应变传感器.ppt

第3章　应变传感器 3.1　电阻应变传感器3.1.1　应变片的结构和类型　　1. 应变片的结构和类型　　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。 图3.1　应变片的结构 　　2. 电阻应变片的分类　　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结型及其他型。　　(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 ℃)、高温应变片(300 ℃以上)和低温应变片(低于－30 ℃)等。 　　(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　常用的应变片　　1) 丝式应变片　　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。 　　2) 箔式应变片　　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、酚醛或酚醛树脂等制成。　　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；蠕变小，疲劳寿命高；便于成批生产且生产效率比较高。 　　3) 半导体应变片　　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、体积小以及耗电量少等优点。　　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、外延型和薄膜型半导体应变片，使其缺陷得到了一些改善。 　　4) 金属薄膜应变片　　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，故上面介绍的箔式应变片即属于厚膜类型。　　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) 高温及低温应变片　　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性能等。 　 3.2　薄膜应变电阻及传感器3.2.1　薄膜分类　　薄膜有两种分类方法：按薄膜厚度分类和按薄膜结构形式分类。　　1. 按薄膜厚度分类　　(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，灵敏度也很高，但性能极不稳定。 　　(2) 半连续膜。这种膜的厚度在10－8～2×10－8 m之间，膜面呈不连续的岛状，各岛之间有若干通道。　　(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. 按薄膜结构形式分类　　(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。用各种方法获得的金属薄膜一般都是多晶体薄膜。 　　(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，因为基片是单晶，所以生长出的薄膜也是单晶。　　(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