第3章电阻式传感器-医学传感器.ppt

第三章 电阻式传感器 导论 作用： 将生物体的一些非电量生理参数（如位移、振动、加速度、力·······）转换为电阻的变化，进而形成相关电学参量的变化，从而得到所需的电学量。 种类： 金属应变片型。是用金属丝或金属箔作为敏感元件制成的片状传感器。 半导体扩散型压阻传感器。是以半导体膜片上扩散成电阻的方法制成的。 第一节 金属应变片式传感器 一、金属应变效应 1.应力： 2.应变 3.应变效应 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化 式中 是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴向应变ε表示，ε数值一般很小表达式为： ΔA/A为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即： 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为： ● μ—电阻丝材料的泊松比； ● 一般金属μ=0.3~0.5，负号表示应变方向相反。 二、金属应变片的结构种类 1.基本结构 金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示: 2. 种类 金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种： 丝式应变计是用电阻丝再一定的应力作用下均匀的按栅状排列在底基和覆盖层之间，应变丝的首尾用铜线或银线引出。 薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 优点：应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。 三、金属应变片的参数与特性 1. 应变片的灵敏系数 数学表达式： 或 当金属线材做成电阻应变片后，由于形成了部件，应变片灵敏度系数 与金属材料的灵敏度系数 不同， 是小于 的，且通过特定的试验求得。 2. 横向效应和横向灵敏度 定义：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数 较电阻丝的灵敏系 数 小，这种现象称为应变片的横向效应。 3. 应变片的应变极限 应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限 。应变极限图如下所示: 4. 机械滞后 机械滞后是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。 5. 最高工作频率 应变片的最高工作频率和应变片线栅的长度有关，它反映了 6. 应变片电阻值 绝缘电阻是指粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。 通常要求绝缘电阻在 以上。 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。 绝缘电阻取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。 7. 最大工作电流 最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。 8.零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂。 温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变时，应变片电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。 蠕变的方向一般与原应变量变化的方向相反。 蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求 。 引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。 9.电阻应变片的温度特性 在测量中，应变片电阻随温度变化的现象，必然造成误差，这种误差为应变片的温度误差。 引起电阻变化的原因：一是应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化；二是因为试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同而造成应变片的附加变形，使得电阻变化。 第二节 半导体固态压阻式传感器 压阻效应：半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化，这种现象叫做压阻效应。 半导体应变元件分类： 体型半导体应变片，这种元件和金属电阻应变片一样需要胶水粘贴 扩散式半导体应变片，这种元件又有两种形式：一是不需要粘贴的片子，入半导体硅膜片，它既是敏感元件，又是换能元件；另一种是需要粘贴的片子，这种片子尺寸很小，只能作为换能元件使用。 一、体型半导体应变片 二、扩散式半导体应变片 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