成都信息工程（成都信工学院）：电子工业出版社《传感器与检测技术》教学资源（PPT课件）第2章 电阻式传感器原理与应用 2.2 压阻式传感器

子工業出版社 USTRY 第二节压阻式传感器 c2.2.1半导体的压阻效应 2.22体型半导体应变片 22.3扩散型压阻式压力传感器 22.4压阻式加速度传感器 2.2.5测量桥路及温度补偿

第二节 压阻式传感器 • 2.2.1 半导体的压阻效应 • 2.2.2 体型半导体应变片 • 2.2.3 扩散型压阻式压力传感器 • 2.2.4 压阻式加速度传感器 • 2.2.5 测量桥路及温度补偿 返 回 下一页

子工業出版社 USTRY 2.2.1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

2.2.1 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。 返 回 上一页 下一页

子工業出版社 压阻效应 SHING HOUSE OF ELECTRONICS INDUSTRY △R =(1+)E+ R 金属材料半导体材料 半导体电阻率40 丌1G=丌1E 兀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。 △R =(1++x1E)E R

压阻效应 金属材料 半导体材料 l l E       ＝ l = l e 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。 返 回 上一页 下一页      = + +  (1 ) R R (1   E) R R = + + l 

忘電子工出版社 对半导体材料而言,TE>(1+以),故(1+)项可以忽略 △R Rx,EE=丌10 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p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 △R/R K =丌,E 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

对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略  l E  l  R R = =  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 E R R K  l  =  = / 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 返 回 上一页 下一页

電子工業出社 USTRY 2.2.2体型半导体电阻应变片 1.结构型式及特点 ·2.测量电路

返 回 上一页 下一页 2.2.2 体型半导体电阻应变片 ⚫ 1. 结构型式及特点 ⚫ 2. 测量电路

忘電子工出版社 1.结构型式及特点 基片 带状引线 长= Si片 金线 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

1. 结构型式及特点 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 返 回 上一页 下一页

子工業出版社 USTRY 2.测量电路 恒压源 U△R(R+△R) 电桥输出电压与ΔR/R成正比,输出电压受环境温度的影响。 恒流源 Uo=I·△R 电桥输出电压与ΔR成正比,环境温度的变化对其没有影响

2. 测量电路 ⚫ 恒压源 ⚫ 恒流源 /( ) U0 = UR R + Rt U0 = I R 电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。 电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。 返 回 上一页 下一页

電子工業出社 USTRY 22.3扩散型压阻式压力传感器 (11 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

2.2.3 扩散型压阻式压力传感器 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 返 回 上一页 下一页

子工業出版社 USTRY 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σ和切向应力σ的分布情况确定。 3p1(1+py )2-(3+4)r 3p +)y2-(1+3/)r2] 8h 设计时,适当安排电阻的位置,可以组成差动电桥

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。        = + − + = + − + [(1 ) (1 3 ) ] 8 3 [(1 ) (3 ) ] 8 3 2 2 2 0 2 2 2 0 r r h p r r h p t r       设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 返 回 上一页 下一页

忘電子工出版社 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

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。 返 回 上一页 下一页