压阻式传感器压阻式传感器.ppt

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压阻式传感器压阻式传感器

第二节 压阻式传感器 7.2.1 半导体的压阻效应 固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大,分辨率高。频率响应高,体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感,因此压阻式传感器的温度误差较大,必须要有温度补偿。 压阻效应 7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 (1) 体型半导体应变片 (2) 扩散型压阻式压力传感器 (3) 测量桥路及温度补偿 (1)体型半导体电阻应变片 1. 结构型式及特点 2. 测量电路 1. 结构型式及特点 体型半导体应变片的结构形式 1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线 2. 测量电路 恒压源 恒流源 (2) 扩散型压阻式压力传感器 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。 (3) 测量桥路及温度补偿 由于制造、温度影响等原因,电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题,影响传感器的准确性。 减少与补偿误差措施 1. 测量电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿 1. 测量电桥 2.温度漂移及其补偿 3 . 灵敏度温度补偿 补偿灵敏度漂移原理: 温度升高时,灵敏度降低,这时如果提高电源电压,使电桥输出适当增大,便可达到补偿目的。 温度升高时,二极管压降降低,可使电桥电源电压提高,关键是适当选择串联二极管的个数。 7.2.3 压阻式传感器的应用 1. 扩散型压阻式压力传感器 2. 差频压阻式压力传感器 3. 压阻式加速度传感器 1. 扩散型压阻式压力传感器 1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片 优点: 扩散型压阻式压力传感器的主要优点就是体积小、结构简单,动态相应好,灵敏度高,滞后、蠕变小,频率相应高,性能稳定,成本低,便于批量生产。 2.差频压阻式压力传感器 在实际应用中,为了提高传感器的灵敏度和克服零点漂移,一般都采用差频输出的形式。也就是在选择适当的晶向和扩散电阻的位置,做成两套相移振荡器并连接宽带放大器和频率综合器,将其组合在一起构成差频压阻式压力传感器, 3 压阻式加速度传感器 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 。 * * 7.2.1 半导体的压阻效应 7.2.2 压阻式压力传感器原理和电路 (1) 体型半导体应变片 (2) 扩散型压阻式压力传感器 (3) 测量桥路及温度补偿 7.2.3 压阻式传感器的应用 下一页 返 回 上一页 返 回 下一页 金属材料 半导体材料 半导体电阻率 πl为半导体材料的压阻系数,它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关; E为半导体材料的弹性模量,与晶向有关。 上一页 返 回 下一页 对半导体材料而言,πl E (1+μ),故(1+μ)项可以忽略 半导体材料的电阻值变化,主要是由电阻率变化引起的, 而电阻率ρ的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 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 上一页 返 回 下一页 上一页 返 回 下一页 主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 上一页 返 回 下一页 对于恒压源电桥电路,考虑到环境温度变化的 影响,其关系式为: 电桥输出电压与ΔR / R成正比,输出电压受环境温度的影响。R为应变片阻值, ΔR为应变片阻值变化, ΔRt为环境温度变化受环境温度引起阻值的变化 电桥输出电压与ΔR成正比,环境温度的变化对其没有影响。 上一页 返 回 下一页 压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 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 上一页 返 回 下一页 工作原理: 膜片两边存在压力差时,膜片产生变形,膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下,阻值发生变化,电桥失去平衡, 输出相应的电压,电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置: 按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。 设计时

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