第2章 智能传感器系统中经典传感器技术基础.pptVIP

2.3.3 补 偿 所以，被测压力P应满足 2.2.1 结构型传感器 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 2.3.3 补 偿 2.3.4 多信号测量法 2.3.5 集成化与智能化 2.3 提高传感器性能的技术途径 压阻式压力传感器的硅敏感膜由C型发展到E型、EI型、双岛及单岛方杯等多种结构形式，如图所示。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 一、合理选择结构 平膜片硅杯结构简单，加工方便。但具有如下缺点 ①用于低量程传感器时由于极薄硅片的中心挠度过大，中性面明显弯曲拉长，从而偏离了小挠度的假设，产生较大的非线性误差。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 ②在制作有双向对称要求的低量程的差压传感器时平膜片的正负应力不对称，还会产生附加误差。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 r0 R 圆形E型膜片特点如下 ①在r＝r0和r＝R处sr和st取得最大值，其值大小相等，符号相反。 ②应力均近似对称，随着r0/R值的增大对称性越来越好，但应力值减小，灵敏度下降； 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 ③与平膜片相比，其应力在边缘处分布变得平缓。 对于低量程传感器，灵敏度很重要，E型膜片可以改变r0/R来抵消灵敏度的下降。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 r0 R 压阻式加速度传感器为获取高的灵敏度与小的横向效应，从单臂梁结构发展到了双臂梁结构、双端支承的四梁结构，还进一步出现了双岛五梁结构，如图所示。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 电容式传感器的各种结构形式如图所示。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 压阻式力传感器通过选择合适的掺杂浓度，由扩散工艺到离子注入技术使它具有高的灵敏度和低的温度系数。 二、通过改进工艺改进器件的性能 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 又如在热电薄膜红外传感器研究中，制作工艺采用微细加工技术，敏感元件采用新的敏感材料PbTiO3。当用一束波长为970 nm、功率为800 mW的红外光来照射传感器时，测得传感器的上升时间为2 ms，比采用其他传统技术报道的最好值2.3 ms还要快。 2.3.1 合理选择结构、参数与工艺 也有学者在制作工艺方面利用微细加工技术改变化学传感器的结构，基于参量的共振特性改善传感器的动态特性，从理论研究证明这种方法设计的质量/化学传感器能检测10－15～10－16 g的质量变化，比普通悬臂梁质量传感器的灵敏度高出两个数量级。 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 差动技术包括：差动、对称结构和差动电路。 特点：消除零位误差； 减少非线性； 提高灵敏度； 抵消共模误差的干扰。 一、差值输出形式 差动结构振弦谐振式压力传感器如图所示。 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 差动电容结构如图所示。 二、差与和之比值为输出形式 差动 电路 C2 C1 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 分别将C1、C2展开成幂级数 如果仍采用差值为输出形式，可得 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 (1)理论线性度为 (2)灵敏度为 采用差与和之比值为输出形式，可改善非线性。 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 1、输入—输出特性 2、理论线性度 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 3、实现电路 (1)差动电桥。 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 可得 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 (2)差动脉冲宽度调制电路。 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 取R1＝R2＝R，得 (3)变压器电桥。 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 差动变极距电容传感器 三、(F－1/F)输出形式 2.3.2 基于差动对称结构的差动技术 2.2.1 结构型传感器 在膜片边缘处，r＝a, sr和st均为负值，其绝对值达到最大 压敏电阻可以位于相同的应力区，也可以位于不同的应力区。 (1)压敏电阻位于同一应力区(即r相同)。此时又有两种方案，分别如图所示。 2.2.1 结构型传感器 2.2.1 结构型传感器 011 R1 R2 R3 R4 ①方案一。在(100)晶面硅膜片上，沿011或 晶向制作P型硅电阻