第2章应变式传感器报告.ppt

—电阻率相对变化; —截面积相对变化。 用 表示 ，称为径向应变 由公式 = （2-3） —金属材料泊松比。 由试验研究结果知： （2-4） c—金属材料的某个常数 v—体积 因为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1°C时，正向压降减小约1.9~2.4mV。因此，串联适当数量的二极管，可达到补偿的目的。见图2-28。 电源为恒流源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，电桥的电压增加，输出增大。 根据常温下电源电压与满量程输出计算，从而求出 ,此值就是为了补偿灵敏度随温度下降，桥压需要提高的数值 。 设低温时满量程输出为 ，高温时满量程输出 为 ,则 ,因此， θ为二极管PN结正向压降温度系数，一般为-2mV°/Cn为串联二极管的个数；ΔT为温度变化的范围。所以： 当n只二极管串联时，可得： 在正交坐标系中，坐标轴与晶轴一致时有 —应力方向与通过压阻元件电流方向一致时的压阻系数。 —应力方向与通过压阻元件电流方向垂直时的压阻系数。 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 当坐标轴与晶轴偏离时，考虑 ，但因为扩散深度为数微米，垂直应力较小，可忽略。 则： 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 —压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦 —压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 表1 的数值（╳10-11m2/N） ， 由表1可知 值，对P形型硅， ，计算时只取 对N形型硅， 较小， 最大， 计算时只取 例：计算（1 1 0）晶面内[1 0]晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数。 则 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 解：（1 1 0）晶面内[1 0] 的横向为[0 0 1] 0]晶向的方向余弦为 [0 0 1] 晶向的方向余弦为 设[1 对于P型硅则有 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 对于N型硅则有 (二)影响压阻系数的主要因素是:扩散电阻的表面杂质浓度，以及温度（看图2-5）。 图2-5 压阻系数与表面杂质浓度Ns的关系 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 扩散杂质浓度Ns增加时，压阻系数就会减小。 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 三 压阻系数 表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降得慢。因此，为降低温度影响，扩散电阻表面杂质浓度高些较好，但太高时，压阻系数要降低，所以需要全面考虑。 （一）固体压阻器件的结构原理 利用固体扩散技术，将P 型杂质扩散到一片N型硅底片上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。 若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯通电桥的四个臂，这样的敏感元件称为固态压阻器件，如图2-23所示。 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 四 固态压阻器件 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 四 固态压阻器件 图2-24 力敏电阻受力情况示意图 （2-59） —纵向应力 —横向应力 —纵向压阻系数 —横向压阻系数 当单晶硅在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图2-24，其阻值的相对变化为： 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 四 固态压阻器件 在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向电阻和切向电阻。扩散电阻的长边平行于膜片半径的为径向电阻 ；垂直于膜片半径时为切向电阻 。当圆形硅膜片半径比P型电阻的几何尺寸大的多时，其电阻的相对变化可分别表示如下： —径向应力 —切向应力 传感器原理及应用 第2章 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 四 固态压阻器件 若圆形硅片周边固定，在均布压力P作用下，当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力为： r—膜片有效半径 x—计算点半径 h—厚度 — 泊松系数，硅取0.35 P — 压力 当 时， ，即为压应力。 当 时， ，即为拉应力。 当