浙江大学：《自动检测技术》课程授课教案（PPT课件）第2章 电阻式传感器 2.2 压阻式传感器

浙大字波理工学院 一传感器与检则技术 2.2压阻式传感器 ■金属电阻应变片性能稳定、精度较高。这类应变 片的主要缺点是应变灵敏系数较小。 ■20世纪50年代中期出现的半导体应变片可以改善 这一不足，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50 倍，主要有体型半导体应变片和扩散型半导体应 变片。 ■用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器 ,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应

—传感器与检测技术— 2.2压阻式传感器 ◼ 金属电阻应变片性能稳定、精度较高。这类应变 片的主要缺点是应变灵敏系数较小。 ◼ 20世纪50年代中期出现的半导体应变片可以改善 这一不足，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50 倍，主要有体型半导体应变片和扩散型半导体应 变片。 ◼ 用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器 ，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应

洲泸大望宁波理工学院 一传感器与检则技术 2.2.1半导体压阻效应和压阻式传感器工作原理 1·尘导体压阻效应和压阻式传感器工作原 理 牛导体的压阻效应是指单晶尘导体材 料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率 发生很大变化的现象。不同类型的牛导体 ,施加载荷的方向不同，压阻效应也不一 样。目前使用最多的是单晶硅牛导体

—传感器与检测技术— 2.2.1 半导体压阻效应和压阻式传感器工作原理 1．半导体压阻效应和压阻式传感器工作原 理 半导体的压阻效应是指单晶半导体材 料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率 发生很大变化的现象。不同类型的半导体 ，施加载荷的方向不同，压阻效应也不一 样。目前使用最多的是单晶硅半导体

浙江大字波理工学院 一传感器与检则技术 对于长l,截面积S,电阻率p的条形半导体 应变片，在轴向力F作用下利用式（2.1.5) 的结果，对于金属材料，△plp项值很小， 可以忽略不计；对半导体材料，△pp项值 很大，因此可得： 设-0+2+名-xs=0 2.2.1)

—传感器与检测技术— 对于长l，截面积S，电阻率ρ的条形半导体 应变片，在轴向力F作用下利用式（2.1.5） 的结果，对于金属材料，Δρ/ρ项值很小， 可以忽略不计；对半导体材料，Δρ/ρ项值 很大，因此可得： ( )           L E L R R = =    = + +  1 2 (2.2.1)

洲泸大粤宁波理工学院 一传感器与检则技术 半导体单晶的应变灵敏系数可表示为 Kn=AR/R 1+24+△p1P≈π，E 8 (2.2.2) 式中，一半导体应变片材料的弹性模量； ,一牛导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向 有关。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

—传感器与检测技术— 半导体单晶的应变灵敏系数可表示为 (2.2.2) 式中，E — 半导体应变片材料的弹性模量； πL — 半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向 有关。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。 ( ) E R R KB  L        = + +  = / 1 2 /

洲汁大望宁波理工学院 一传感器与检则技术 2.体形尘导体应变片的结构形式 体型半导体电阻应变片是从单晶硅或锗上切 下薄片制成的应变片，结构型式见图2.2.1。 基片 带状引线 P-Si N-Si 金线 Si片 图2.2.1体型半导体应变片的结构形状

—传感器与检测技术— 2． 体形半导体应变片的结构形式 体型半导体电阻应变片是从单晶硅或锗上切 下薄片制成的应变片，结构型式见图2.2.1。 图2.2.1 体型半导体应变片的结构形状

洲泸大》宁波理工学院 一传感器与检则技术 半导体应变片的主要特点： ,灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十 倍。通常不需要放大器就可以直接输入显示器 或记录仪，可简化测试系统： >横向效应和机械滞后极小： ,半导体应变片的温度稳定性和线性度比金属电 阻应变片差得多，很难用它制作高精度的传感 器，只能作为其他类型传感器的辅助元件

—传感器与检测技术— 半导体应变片的主要特点： ➢ 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十 倍。通常不需要放大器就可以直接输入显示器 或记录仪，可简化测试系统； ➢ 横向效应和机械滞后极小； ➢ 半导体应变片的温度稳定性和线性度比金属电 阻应变片差得多，很难用它制作高精度的传感 器，只能作为其他类型传感器的辅助元件

浙大字波理工学院 一传感器与检则技术 2.2.1测量电路和温度补偿 !.半导体电阻应变片的测量电路 >在半导体应变片组成的传感器中，均由4个应变片 组成全桥电路，将4个应变片粘贴在弹性元件上， 其中2个应变片在工作时受拉，而另外2个则受压 ,从而使电桥输出的灵敏度达到最大。电桥的供 电电源可采用恒流源，也可以采用恒压源，因此 ，桥路输出的电压与应变片阻值变化的关系有所 不同。 >直流电阻电桥电路，但须采用温度补偿措施，如 图2.2.2所示

—传感器与检测技术— 2.2.1 测量电路和温度补偿 1．半导体电阻应变片的测量电路 ➢ 在半导体应变片组成的传感器中，均由4个应变片 组成全桥电路，将4个应变片粘贴在弹性元件上， 其中2个应变片在工作时受拉，而另外2个则受压 ，从而使电桥输出的灵敏度达到最大。电桥的供 电电源可采用恒流源，也可以采用恒压源，因此 ，桥路输出的电压与应变片阻值变化的关系有所 不同。 ➢ 直流电阻电桥电路，但须采用温度补偿措施，如 图2.2.2所示

洲泸大》宁波理工学院 一传感器与检则技术 口图2.2.2温度补偿电路 2.零点温度补偿 >零点温度漂移是由于4个扩散电阻的阻值及其 温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻 的方法进行补偿，如图2.2.2所示

—传感器与检测技术—  图2.2.2 温度补偿电路 2.零点温度补偿 ➢ 零点温度漂移是由于4个扩散电阻的阻值及其 温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻 的方法进行补偿，如图2.2.2所示

浙大字波理工学院 一传感器与检则技术一 3.灵敏度温度补偿 ▣灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的 。温度升高时，压阻系数变小温度降低时，压阻 系数变大，说明传感器的温度灵敏系数为负值。 口补偿灵敏度温漂可以利用在电源回路中串联二极管 的方法。温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高 电源的电压，使电桥的输出适当增大，便可达到补 偿目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使 电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到 补偿的目的。由于二极管P结的温度特性为负值， 温度每升高1℃时，正向压降约减小1.92.4V

—传感器与检测技术— 3．灵敏度温度补偿  灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的 。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻 系数变大，说明传感器的温度灵敏系数为负值。  补偿灵敏度温漂可以利用在电源回路中串联二极管 的方法。温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高 电源的电压，使电桥的输出适当增大，便可达到补 偿目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使 电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到 补偿的目的。由于二极管PN结的温度特性为负值， 温度每升高1℃时，正向压降约减小1.9~2.4mV

洲泸大》宁波理工学院 一传感器与检则技术 ▣将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中， 见图2.2.2。电源宋用恒压源，当温度升高时，二 极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使 其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将 其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的

—传感器与检测技术—  将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中， 见图2.2.2。电源采用恒压源，当温度升高时，二 极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使 其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将 其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的