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

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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

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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。22.3扩散型压阻式压力传感器 224压阻式加速度传感器 2.2.5测量桥路及温度补偿下一页

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

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,必须要有温度补偿上一页下一页

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

压阻效应代=(1+)E+ △R 金属材料半导体材料半导体电阻率=za=x,E π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 上一页下一页

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 

对半导体材料而言,兀E>(1+p),故(1+)项可以忽略 △R 丌,EE=丌, 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上一页下一页

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

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

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

1.结构型式及特点基片带状引线 Si片全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上一页下一页

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

2测量电路恒压源 Uo=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 Un=1·△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上一页下一页

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

223扩散型压阻式压力传感器 (110 压阻式压力传感器结构简图低压腔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下一页

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

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。 3p (1+)2-(3+)r 8h (+)2-(1+3x)y2] 8h 设计时,适当安排电阻的位置,可以组成差动电桥。上一页下一页

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。        = + − + = + − + [(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

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。上一页下一页

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

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