《传感原理与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第2章 电阻应变式传感器 §2.2 半导体应变片及压阻式传感器

82.2半导体应变片及压阻式传感器82.2.1半导体应变片基于半导体晶体材料的电阻率随作用应力而变化的“压阻效应压阻式传感器△RAp=(1+2u)c +Rp泊松比：径向轴向电阻率的电阻变化应变和轴向应变相对变化的相对值应变之比。432009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 43 §2.2 半导体应变片及压阻式传感器 §2.2.1半导体应变片 基于半导体晶体材料的电阻率随作用应力而 变化的“压阻效应”. 压阻式传感器      = + +  (1 2 ) R R 电阻变化 的相对值 泊松比:径向 应变和轴向 应变之比。 轴向 应变 电阻率的 相对变化

对半导体△RApAp=元,E(1 + 2u) +~（Rpp其中：元，半导体单晶的纵向压阻系数与晶向有关E半导体单晶的纵向弹性模量应变灵敏度：△R/ RKB=元,E见表2-4,P64二8！金属材料的应变片K>0,而N型半导体的元,和KB<0

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 44         E R R = L    = + +  (1 2 ) 对半导体: 其中: πL半导体单晶的纵向压阻系数; E半导体单晶的纵向弹性模量. 与晶向 有关 应变灵敏度: E R R KB  L  =  = / 见表2-4, P64 ! 金属材料的应变片K>0, 而N型半导体的πL和KB <0

半导体压阳阻式传感器的分类①粘贴式应变片膜片扩散电阻硅杯内部引线带状引线P-Si基片宝N-Si2A引线端金线压力接管Si片(b)(a)图2-34压阻式压力传感器图2-32体型半导体应变片的结构形状②扩散硅型压阻传感器P型杂质在N型Si上扩散特点：灵敏系数大，分辨率高，频率影响高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等2009年9月45浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 45 半导体压阻式传感器的分类： ①粘贴式应变片 ②扩散硅型压阻传感器 P型杂质在N型Si上扩散 特点：灵敏系数大，分辨率高，频率影响高， 体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等

*半导体应变片的制作与结构制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。[110]K-123[111]K=177x[100]K-1032009年9月46浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 46 *半导体应变片的制作与结构 制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图。在直 角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴 方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）

*温度误差及其补偿压阻式传感器受到温度影响后，要产生零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。A传感器灵敏度的温T-漂是由于压阻系数随温RPIT度变化而引起的。当温TB度升高时，压阻系数变R小，传感器的灵敏度要R降低，反之灵敏度升高零位温漂一般可用串、C并联电阻的方法进行补Un偿。2009年9月47浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 47 *温度误差及其补偿 压阻式传感器受到温度影响后，要产生零位漂移和灵敏度 漂移，因而会产生温度误差。 传感器灵敏度的温 漂是由于压阻系数随温 度变化而引起的。当温 度升高时，压阻系数变 小，传感器的灵敏度要 降低，反之灵敏度升高。 零位温漂一般可用串、 并联电阻的方法进行补 偿

82.2.2半导体应变片(一)压阻式压力传感器在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力，另一端接参考压力。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡,其输R出电压反映膜片承受的压RR差的大小。0.6352009年9月浙江科技学院spruan@1

2009 年 9 月 浙江科技学院spruan@126.com 48 ( 一 )压阻式压力传感器 在一块圆形的单晶硅膜片 上, 布置四个扩散电阻, 组 成一个全桥测量电路。 膜 片用一个圆形硅杯固定, 将 两个气腔隔开。一端接被 测压力, 另一端接参考压力。 当存在压差时, 膜片产生变 形, 使两对电阻的阻值发生 变化, 电桥失去平衡, 其输 出电压反映膜片承受的压 差的大小。 §2.2.2半导体应变片

压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕斯卡的微压，它是一种比较理想，目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响，从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿，它利用大规模集成电路技术，将传感器与计算机集成在同一块硅片上，兼有信号检测、处理、记忆等功能，从而大大提高传感器的稳定性和测量准确度2009年9月49浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 49 压阻式压力传感器的主要优点是体积小, 结构比 较简单, 动态响应也好, 灵敏度高, 能测出十几帕斯卡 的微压, 它是一种比较理想, 目前发展和应用较为迅速 的一种压力传感器。 这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响, 从而影响压阻系数的大小。 现在出现的智能压阻压力 传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿, 它利 用大规模集成电路技术, 将传感器与计算机集成在同 一块硅片上, 兼有信号检测、 处理、 记忆等功能, 从 而大大提高传感器的稳定性和测量准确度

(二)压阻式加速度传感器6ml基座8=a扩散电阻2EbhFhEbh31fo硅架2元4ml3质量块1恰当地选择传感器尺寸及阻尼率，用以测量低频加速度和直线加速度2009年9月50浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 50 (二)压阻式加速度传感器 2 3 0 3 6 1 2 4 ml a Ebh Ebh f ml   = = 恰当地选择传感器尺寸及阻尼率，用以测量 低频加速度和直线加速度

KH8A+10kRR1ok1R.20kSOkR0~1VR+15V8C10kQRO0100kA+X+i5VoH-15VDR15k2k0Ske木U1.67kS22.5V图2-36固态压阻式传感器恒流工作电路512009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 51

S2.3电位计式传感器ABoCoC°B直线位移型角位移型变阻式传感器变阻式传感器一工作原理是：将物体的位移变化转换为电位器式传感器电阻阻值变化，从而达到测量相关变化参量的目的。2009年9月52浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 52 §2.3 电位计式传感器 一.工作原理是：将物体的位移变化转换为 电位器式传感器电阻阻值变化，从而达到测 量相关变化参量的目的