电阻传感器PPT课件

1、第1页/共123页第2页/共123页10:03 AM3 基本工作原理是将被测物理量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。 包括包括电位器式、电位器式、压阻式、压阻式、热阻式、热阻式、应变式应变式等。等。学习要点学习要点: : 1. 应变式传感器：应变效应、电桥测量电路和温度补偿原理 2. 压阻式传感器：压阻效应、测量桥路及温度补偿第3页/共123页10:03 AM4 电阻应变式传感器是利用金属的将被测量转换为电量输出的一种传感器。应变式传感器组成框图应变式传感器组成框图非电量非电量应变应变电阻应变片电阻应变片弹性元件弹性元件电阻变化电阻变化传感器传感器第4页/共123页1

2、0:03 AM5一、工作原理一、工作原理 （电阻应变效应）（电阻应变效应）FFL Lr r电阻应变效应电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。在未受到外力F F的作用时，电阻值为：ALR第5页/共123页10:03 AM6当受到拉力作用F F后，电阻的变化量为全微分:2LLdRddLdAAAA两边同除以R R和 L/AL/A，电阻相对变化为 dRdLdAdRLA又因为 2,2dAdrArAr所以第6页/共123页10:03 AM7drdLrL /2(12 )/dRdLdLdddLRLLdL LL 0/(12 )RKR 据材料力学知识: : （小常

3、识：（小常识：泊松比是材料横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数，受几何形状几何形状变化的影响）变化的影响）代入上式得: :第7页/共123页10:03 AM8当受到拉力作用F F后，电阻的变化量为:0/(12)KRR0/12K- =dL/L (=dL/L (纵向应变纵向应变) )第8页/共123页10:03 AM9讨论：1 1、应变的灵敏系数、应变的灵敏系数K K0 0受二个因素的影响：受二个因素的影响：几何形状变化的影响几何形状变化的影响电阻率发生变化的影响电阻率发生变化的影响 2 2、 对于金属材料对于金属材料：21,210K对于半导体材料对于半导体材

4、料：0,21K压阻效应压阻效应应变效应应变效应0(12 )RRK第9页/共123页10:03 AM10 1 1、结构、结构 电阻应变片由基底基底、敏感栅敏感栅、盖片盖片（有时加上引出线）组成。用粘贴剂粘贴剂将其粘贴在一起，构成完整的应变片。第10页/共123页10:03 AM11(2)(2)应变片的粘贴应变片的粘贴 粘贴在应变变化均匀且较大的地方。（1 1）应变片的类型）应变片的类型第11页/共123页10:03 AM12第12页/共123页10:03 AM13常用金属电阻丝材料的性能常用金属电阻丝材料的性能 最常用最常用动态动态中高温中高温高温高温（3 3）应变片的材料）应变片的材料第13页

5、/共123页10:03 AM14三、金属应变片的主要特性三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨贴在试件上后讨论论）1. 1. 灵敏系数灵敏系数 kRR原因：原因：1）粘贴层传递变形失真 , 2）横向效应。且且 。各种应变片第14页/共123页10:03 AM152. 2. 横向效应横向效应 y x - y纵向伸长作用使电阻值增加纵向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小横向缩短作用使电阻值减小RRR 和电阻增量电阻增量 减小减小。第15页/共123页10:03 AM163. 3. 机械滞后机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与

6、卸载特性不重合，即为其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后机械滞后。 原因：原因：残余应变残余应变；在制造或粘贴应变片时，在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不敏感栅受到不适当的变形适当的变形或者或者粘结剂固化不充分粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后应变片的机械滞后第16页/共123页10:03 AM174 4、零漂和蠕变、零漂和蠕变即：constT温度）当 ( 0t指标即：constT温度）当 ( t指标零漂：零漂：0真实,蠕变蠕变：const真实,原因：存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮原因：存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮原因：绝缘电阻低、产生热电势等原因

7、：绝缘电阻低、产生热电势等第17页/共123页10:03 AM185 5、应变极限、应变极限6 6、电阻值或称原始电阻值、电阻值或称原始电阻值7 7、动态特性、动态特性测量变化频率较高的动态应变时考虑。应变片反映敏感栅的平均应变平均应变。 应变片传播速度应变片传播速度V=V=声波声波，sm/5000钢材第18页/共123页10:03 AM191).1).阶跃响应阶跃响应阶跃应变阶跃应变应变栅长度应变栅长度应变波传播速度应变波传播速度上升时间上升时间实际响应曲线实际响应曲线0.8rltv第19页/共123页10:03 AM202).2).正弦应变波变化正弦应变波变化设：在应变片任意位置上设：在应

8、变片任意位置上x x，通过的应变波为：，通过的应变波为：x2sin0第20页/共123页10:03 AM21122102sinxxdxxxxp则基长则基长l l的平均应变的平均应变: :1202cos2cos2xxl若测出的是平均应变的最大值若测出的是平均应变的最大值: :242421lXlXllpsin:0则第21页/共123页10:03 AM22相对误差相对误差:%1001sin%10000llp(%)lln 误差 与n有关，n越大， 越小一般取2010 nl%4 . 06 . 1则第22页/共123页10:03 AM23四、温度误差及补偿四、温度误差及补偿1 1、温度误差：、温度误差：1

9、)1)敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化tRRtRRRRtRRtttt1CtC001温度变化量电阻丝电阻温度系数电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响和和材料线膨胀系数材料线膨胀系数的影响的影响第23页/共123页10:03 AM242) 2) 电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同，使电电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同，使电阻相对变化为阻相对变化为：tKRRttcmtcm式中式中m m受力件材料的线膨胀系数；受力件材料的线膨胀系数； c c电阻丝材料的线膨胀系数；电阻丝材料的线膨胀系数； K K应变片灵敏度应变片灵敏度总电阻温度相对误差：总电阻温度相对误差：

10、RRRRRRtttttKcm第24页/共123页10:03 AM25应变误差应变误差：tKcm应力误差应力误差：1tmcRRKttKK tmcRREEEtKK第25页/共123页10:03 AM26 一试件为钢材，电阻丝为康铜丝， c=1510-6/, m= 1110-6/，在t=1时， , K=2， ，计算其电阻相对误差、应变误差、应力误差？）（/10206)/N102024mmE（第26页/共123页10:03 AM27通常有通常有应变片自补偿应变片自补偿和和线路补偿线路补偿。2 2、 温度补偿温度补偿 （1)1)自补偿法自补偿法)(cmK设法取：RRRRRRtttttKcm0)(cmK则

11、：第27页/共123页10:03 AM28(2) (2) 线路补偿法线路补偿法: : 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。U Uo o= =A A( (R R1 1R R4 4- -R R2 2R R3 3) ) R2243214)(RURRRRUA第28页/共123页10:03 AM29R1工作片FR2补偿片补偿块1414oUAR R KUK 第29页/共123页10:03 AM30既实现了温度补尝，又实现了提高灵敏度的作用。既实现了温度补尝，又实现了提高灵敏度的作用。 RRRRRR21tt2t1RRRRRR Uk412RRU412)RRRR(U41U

12、210R1（拉）R2（压）F第30页/共123页10:03 AM31五、测量电路电阻值的电阻值的变化变化电压电压/ /电流的电流的变化变化1 直流电桥直流电桥2 交流电桥交流电桥第31页/共123页10:03 AM32R1R2R4R3ACBEDIoRLUo直流电桥直流电桥 当当R RL L时，电桥输时，电桥输出电压为：出电压为： 1. 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件（一）直流电桥（一）直流电桥311234oRRUERRRR第32页/共123页10:03 AM33当电桥平衡时，当电桥平衡时，U Uo o=0=0，则，则 R1R4=R2R33124RRRR此式为此式为电桥平衡条件电桥平衡条

13、件，即：，即： 电桥相邻两臂电阻的比值应相等，电桥相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂或相对两臂电阻的乘积应相等电阻的乘积应相等。R1R2R4R3ACBEDIoRLUo第33页/共123页10:03 AM34 当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 ：2. 2. 电压灵敏度电压灵敏度3111411234112344131124113()()11oRRRR RUEERRRRRRRRRRRRRRERRRRRR 第34页/共123页10:03 AM35设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，平衡条件R2/R1=R4/R3， 则： 121(1)

14、oRnUEnR 电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：211(1)oUUnKERnR 第35页/共123页10:03 AM363.3. 差动电桥差动电桥R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4差动半桥差动半桥 差动全桥差动全桥 第36页/共123页10:03 AM37（二）（二） 交流电桥交流电桥Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)交流电桥交流电桥第37页/共123页10:03 AM3811112222334411RZj R CRZj R CZRZR C1、C2表示应变片引线分布表示应变片引线

15、分布电容电容。 可求得交流电桥的平衡条可求得交流电桥的平衡条件为：件为： 2413RRRR2112RCRC第38页/共123页10:03 AM39R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节第39页/共123页10:03 AM40六、六、 应变片传感器的应用应变片传感器的应用1 1力传感器力传感器2 2压力传感器压力传感器3 3液重传感器液重传感器4 4加速度传感器加速度传感器第40页/共123页10:03 AM41(a)(b)(c

16、)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU1) 1) 圆柱圆柱( (筒筒) )式力传感器式力传感器柱式柱式筒式筒式圆柱面展开图圆柱面展开图桥路连线图桥路连线图第41页/共123页10:03 AM42(a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。结构图结构图2) 2) 环式力传感器环式力传感器应力分布应力分布第42页/共123页10:03 AM43第43页/共123页10:03 AM44第44页/共123页10:03 AM45冲床生产记数和生产过程监测。冲床生产记数和生产过程监测。

17、第45页/共123页10:03 AM46第46页/共123页10:03 AM47将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电量输出。第47页/共123页10:03 AM48trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)膜片式压力传感器膜片式压力传感器应变变化图应变变化图应变片粘贴应变片粘贴第48页/共123页10:03 AM49微 压 传 感 器电 阻 应 变敏 感 元 件传 压 杆感 压 膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R120()KK QUA第49页/共123页10:03 AM50 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。 基本工作原理：物

18、体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。 第50页/共123页10:03 AM51电阻应变式加速度传感器结构图电阻应变式加速度传感器结构图 32141等 强 度 梁 ；2质 量 块 ；3壳 体 ；4电 阻 应 变 敏 感 元 体适用适用1060 Hza=F/m第51页/共123页10:03 AM52振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器: : 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。第52页/共123页10:03 AM53桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量:

19、 :第53页/共123页10:03 AM54 压阻传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的一种新的物性型传感器。 压阻效应压阻效应 晶向的表示方法晶向的表示方法 压阻系数压阻系数 固态压阻传感器固态压阻传感器 测量电桥及温度补偿测量电桥及温度补偿第54页/共123页10:03 AM55压阻式传感器分类压阻式传感器分类 体型压力传感器体型压力传感器： 半导体应变式半导体应变式 固态压阻式传感器固态压阻式传感器（扩散型压阻传（扩散型压阻传感器）感器）： 应变电阻与硅基片一体化应变电阻与硅基片一体化第55页/共123页10:03 AM56压阻式传感器的特点压阻式传感器的特点 灵敏度高灵敏度高: :

20、硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50100倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。 分辨率高分辨率高: :由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。 体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高: :由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至100千赫兹。 温度误差大温度误差大: : 须温度补偿、恒温使用第56页/共123页10:03 AM57 由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高

21、，加之计算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达已可达1010-5 -5/数量级数量级, ,即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。第57页/共123页10:03 AM58 压阻效应压阻效应：当固体材料在某一方向承受应：当固体材料在某一方向承受应力时，其力时，其电阻率电阻率（或电阻）发生变化的现象。（或电阻）发生变化的现象。 半导体半导体（单晶硅）（单晶硅）材料材料受到外力作用，产生肉眼无法受到外力作用，产生肉眼无法察觉的极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态察觉的极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，

22、从而导致其发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化电阻率剧烈的变化，由其材料，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫半导半导体压阻效应体压阻效应。 利用压阻效应原理，采用集成电路工艺技术及一些专利用压阻效应原理，采用集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上，沿特定晶向制成应变电用特殊工艺，在单晶硅片上，沿特定晶向制成应变电阻，构成惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学阻，构成惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集应应力敏感与力电转换力敏感与力电转换于

23、一体的力学量传感器，称为于一体的力学量传感器，称为固态固态压阻传感器压阻传感器。一、压阻效应一、压阻效应第58页/共123页10:03 AM59 硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各种半导体器件中。 硅有很好的机械特性。 硅还具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。 硅既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便于实现机电器件的集成化。 硅成为一种重要的微机电系统材料，可作为微传感器、微执行器的基本材料。第59页/共123页10:03 AM60slRd Rd ld sRlsd2(12)d Rd ld ldRldl材料阻值变化材料阻值变化：应变为泊松比；:第60页/共123页10:03

24、 AM61:d引 入 ：（： 为 压 阻 系 数 ;应 力 ）(12)dRR电阻相对变化量：电阻相对变化量：对金属材料对金属材料：(12)mdRKR第61页/共123页10:03 AM62对半导体材料对半导体材料：sdREKR 式中： 压阻系数； E弹性模量； 应力； 应变。Ed2121ERdR 由于半导体的由于半导体的EE一般可达一般可达50-100,50-100,比（比（1+21+2 ）2 2 大几大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成：mmsKKK10

25、050第62页/共123页10:03 AM63 晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y、Z表示。二、晶向的表示方法二、晶向的表示方法 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。第63页/共123页10:03 AM64 C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示 硅为立方晶体结构硅为立方晶

26、体结构，就取立方晶体的三个相邻，就取立方晶体的三个相邻边为边为X X、Y Y、Z Z。在晶轴在晶轴X X、Y Y、Z Z上取与所有晶轴相上取与所有晶轴相交的某晶面为交的某晶面为单位晶面单位晶面，如图所示。，如图所示。 此此晶面晶面与坐标轴上的截距为与坐标轴上的截距为OAOA、OBOB、OCOC。已知某晶。已知某晶面在面在X X、Y Y、Z Z轴上的截距为轴上的截距为OAxOAx、OByOBy、OCzOCz，它们与，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成：单位晶面在坐标轴截距的比可写成：第64页/共123页10:03 AM65 式中，式中，p p、q q、r r为没有公约数为没有公约数(1(1除外

27、除外) )的简单整数。为了方的简单整数。为了方便取其倒数得：便取其倒数得：式中，式中，h h、k k、l l也为没有公约数（也为没有公约数（1 1除外）的简单整数除外）的简单整数。依。依据上述关系式，可以看出截距据上述关系式，可以看出截距OAOAx x、OBOBy y、OCOCz z的晶面，能用的晶面，能用三个简单整数三个简单整数h h、k k、l l来表示来表示。h、k、l称为密勒指数。rqpOCOCOBOBOAOAzyx:1 1 1: : :xyzOA OBOCh k lOA OBOCp q r第65页/共123页10:03 AM66 而而晶向晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，是晶面的

28、法线方向，根据有关的规定，晶面晶面符符号为号为( (hklhkl) )，晶面全集晶面全集符号为符号为 hklhkl ，晶向晶向符号为符号为 hklhkl ，晶向晶向全集全集符号为符号为hklhkl。晶面所截的线段对于。晶面所截的线段对于X X轴，轴，O O点之前点之前为正，为正，O O点之后为负；对于点之后为负；对于Y Y轴，轴，O O点右边为正，点右边为正，O O点左边点左边为负；对于为负；对于Z Z轴，在轴，在O O点之上为正，点之上为正，O O点之下为负。点之下为负。 C ZOBAXY11第66页/共123页10:03 AM67依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方依据上述规定

29、的晶体符号的表示方法，可用来分析立方晶体中的晶面、晶向。晶体中的晶面、晶向。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内几种不同晶向与晶面（b）（a）v 对立方晶系（对立方晶系（x=y=z,xyz),x=y=z,xyz),面指数为（面指数为（hkl)hkl)的的晶面与密勒指数为晶面与密勒指数为hklhkl的晶向彼此垂直。的晶向彼此垂直。第67页/共123页10:03 AM68例：111111111v 晶向、晶面、晶面族分别为：v 晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-2 122122122第68页/共123页10:03 AM6

30、9判断两晶面垂直v两晶向两晶向Ah1k1l1 与与Bh2k2l2:212121llkkhhBA垂直0212121llkkhhBA不垂直0212121llkkhhBA第69页/共123页10:03 AM70 对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶。如硅单晶中，中，(1 1 1)(1 1 1)晶面上的原子密度最大，晶面上的原子密度最大，(1 0 0)(1 0 0)晶面上原子密度晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同，所表现出的性质也不同，最小。各晶面上的原子密度不同，所表现出的性质也不同，如如(1 1 1)(1 1 1)晶面的化学腐蚀速率为各向同

31、性，而晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(1 0 0)(1 0 0)晶面上晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。的化学腐蚀速率为各向异性。 单晶硅是各向异性的材料单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻效应也，取向不同，则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅的压阻芯片。不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅的压阻芯片。第70页/共123页10:03 AM71三、压阻系数三、压阻系数1 1、单晶硅的压阻系数

32、、单晶硅的压阻系数d654321,654321,v六个独立的应力分量：v六个独立的电阻率的变化率：半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。压阻系数第71页/共123页10:03 AM72电阻率的变化与应力分量之间的关系电阻率的变化与应力分量之间的关系: :654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654321第72页/共123页10:03 AM73分析分析: : 剪切应力不可能产生正向压阻效应 正向应力不可能产生剪切

33、压阻效应 剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应 剪切压阻系数相等 正向压阻系数相等 横向压阻系数相等111212121112121211444444000000000000000000000000441211、分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数第73页/共123页10:03 AM74 对P型硅( (掺杂三价元素）： 11、 120，只考虑44 ： 对N型硅( (掺杂五价元素） ： 44 0 ， 12 -1/211 ，压阻系数（压阻系数（10-11m2/N）第74页/共123页10:03 AM75pQ2 2、任意方向（、任意方向（P P方向）电阻变化方向）电阻变化/123I/dRR v：

34、纵向应力纵向应力v ：横向应力：横向应力v：纵向压阻系数纵向压阻系数v : 横向压阻系数横向压阻系数第75页/共123页10:03 AM76将各个压阻系数向将各个压阻系数向P P、Q Q方向投影方向投影: :)( 221212121212144121111/nlnmml)(22212221222144121112nnmmll 已知：已知：v(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦v(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦第76页/共123页10:03 AM77关于方向余弦关于方向余弦cos222zyxxlcos222zyxzncos222zyxym某晶向某晶向xyz(x,y,zxyz(x,y,

35、z是密勒指数）的方向余弦为是密勒指数）的方向余弦为：第77页/共123页10:03 AM78 例1：计算（100）晶面内011晶向的纵向与横向压阻系数。v（100） 晶面内晶面内 011 晶向的横向为晶向的横向为 011 晶向晶向yxzv设设011与与011晶向的方向余弦分别为：晶向的方向余弦分别为： l1、m1、n1, l2、m2、n2第78页/共123页10:03 AM7901l21111221m21111221n02l211) 1(1222m211) 1(1222n)(212121)(244121144121111/)(21)21212121)(44121144121112)( 2212

36、12121212144121111/nlnmml)(22212221222144121112nnmmll第79页/共123页10:03 AM801112/444401122P 对 型硅：441211/111110,21144N 对 型硅：第80页/共123页10:03 AM81 例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向与横向压阻系数。v设（设（110110）晶面内晶向的一般形式为）晶面内晶向的一般形式为hkl,hkl,则：则：0011lkhkhv取（取（110）晶面内）晶面内 110 晶向的横向为晶向的横向为 001lhh一般形式为：第81页/共123页10:03 AM82v设设 110 与

37、与 001 晶向的方向余弦分别为：晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1, l2、m2、n201n21) 1(11221l21) 1(11221m02l02m12n第82页/共123页10:03 AM83)(212121)(244121144121111/12441211120)(02144/型硅：对P1111/2141型硅：对N第83页/共123页10:03 AM843 3、影响压阻系数的因素、影响压阻系数的因素 扩散电阻的扩散电阻的表面杂质浓度表面杂质浓度和和温度温度。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS /cm-3P型Si(44)N型Si(-

38、11) 11或 44 / 10-11m2/NT=24压阻系数与表面杂质浓度NS的关系v扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小第84页/共123页10:03 AM85解释：解释：1nevn：载流子浓度：载流子浓度ve：载流子所带电荷：载流子所带电荷v ：载流子迁移率：载流子迁移率v ：电阻率：电阻率vNs杂质原子数多杂质原子数多载流子多载流子多 nv杂质浓度杂质浓度Ns n在应力作用下在应力作用下的变化更小的变化更小 / 第85页/共123页10:03 AM86v表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快v表面杂质浓度高时，温度

39、增加压阻系数下降慢表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢第86页/共123页10:03 AM87en1解释：vT载流子获得的动能载流子获得的动能运动乱运动乱 / Ns大，大， 变化较小变化较小 变化小变化小Ns小，小， 变化大变化大 变化大变化大 Ns大：受温度影响小高浓度扩散，使p-n结击穿电压绝缘电阻 漏电漂移性能不稳定第87页/共123页10:03 AM88 固态压阻压力传感器，诞生于六十年代末期。它较之传统的膜合力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目目前仍是压力测量领域最新一代传感器前仍是压力测量领域最新一代传感器。 由于各自的特点及局限性

40、，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在传感器市场上，它已是压力传感器中的重要品种，并并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。 目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的智能传感器技术智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器，因此最受瞩目。四、固态压阻器件四、固态压阻器件第88页/共123页10:03 AM89 利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯通电

41、桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示。1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 3粘贴剂 4硅底座 5引压管 6Si 保护膜 7 引线 1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理第89页/共123页10:03 AM90 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图图 (a)(a)所示，其阻值的相对变化为：所示，其阻值的相对变化为： 式中式中 l l纵向应力；纵向应力； t t横向应力；横向应力； l l纵向压阻系数；纵向压阻系数； t t横向压阻系数。横向压阻系数。力敏电阻受力情况示意图llttRR （a）0011000

42、10llttR第90页/共123页10:03 AM91 在硅膜片上，根据在硅膜片上，根据P P型电阻的扩散方向不同可分型电阻的扩散方向不同可分为为径向电阻径向电阻和和切向电阻切向电阻，如图，如图 (b)(b)所示。扩散电阻的所示。扩散电阻的长边平行于膜片半径时为长边平行于膜片半径时为径向电阻径向电阻R Rr r；垂直于膜片半；垂直于膜片半径时为径时为切向电阻切向电阻R Rt t。当圆形硅膜片半径比。当圆形硅膜片半径比P P型电阻的几型电阻的几何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下：何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下： ttrlrRRrttltRR trlrttltRrRt（b）

43、llttRR 第91页/共123页10:03 AM92 若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为：膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为： 式中式中r r、x x、h h膜片的膜片的有效半径有效半径、计算点半径计算点半径、厚度厚度（m m）；）；泊松系数，硅取泊松系数，硅取=0.35=0.35；P P压力（压力（PaPa）。）。2223138rPrxh222311 38tPrxh第92页/共123页10:03 AM93trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的应力分布图根据上

44、两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。根据上两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。x x=0.635=0.635r r时时，r r=0=0；x x0.63500，即为拉应力；，即为拉应力；x x0.6350.635r r时时，r r00，即为压应力。，即为压应力。x x=0.812=0.812r r时时，t t=0=0，仅有，仅有r r存在，且存在，且r r00，即为压应力。，即为压应力。00.51第93页/共123页10:03 AM94方案一方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应压阻效应 在001晶向的N型硅膜片上，沿110与110两晶

45、向扩散四个P型电阻条xyz第94页/共123页10:03 AM95trrRR /11/rttRR /11/110110第95页/共123页10:03 AM96 1、在110晶向：扩散两个径向P型电阻222 22 2/44111 1112()l mm nl n11111022lmn/44122 22222441 21212()l lm mn n22211022lmn4412第96页/共123页10:03 AM972、在110晶向：扩散两个切向P型电阻222222/441111112()l mm nl n02121111nml/441202121222nml4412 2 22222441 2121

46、2()l lm mn n 第97页/共123页10:03 AM98所以所以：24444213()(1)28rtrRprRh 24444213()(1)28rttRprRh trRRRR 第98页/共123页10:03 AM99rRR tRR RRr电阻变化与电阻变化与r的关系：的关系：第99页/共123页10:03 AM100如：扩散在0.812r处，此时t=0rrrRR44/21 trRRRR rrtRR4421 第100页/共123页10:03 AM101方案二：只利用纵向压阻效应 在在110110晶向的晶向的N N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110110晶向晶向在在0.635r0.635

47、r之内与之外各扩散两个之内与之外各扩散两个P P型电阻条，型电阻条，110110的横向为的横向为001001。110001R1R2R3R4第101页/共123页10:03 AM10202121111nml44/21100222nml0rRR44/21 110方向方向余弦：方向方向余弦：001方向方向余弦：方向方向余弦：第102页/共123页10:03 AM103由于在由于在0.6350.635r r半径之内半径之内r r为正值，在为正值，在0.6350.635r r半径之半径之外外r r负值，内、外电阻值的变化率应为负值，内、外电阻值的变化率应为4412riiRR 4412rooRR riro

48、iRRoRR riroioRRRR 即可组成差动电桥。式中式中 、 内、外电阻所受径向应力的平均值内、外电阻所受径向应力的平均值内外电阻的相对变化。内外电阻的相对变化。设计时，适当安排电阻的位置，可以使得设计时，适当安排电阻的位置，可以使得:=于是有于是有第103页/共123页10:03 AM1041 1、恒压源供电、恒压源供电 扩散电阻起始阻值都为扩散电阻起始阻值都为R R，当有应力作用，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为化引起的阻值变化为R Rt t：R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4 五、测量

49、桥路及温度补偿第104页/共123页10:03 AM105电桥输出为： ()()itoutttitttU RRRURRRRRRU RRRRRRRRR outitRUURR 当当R Rt t=0=0时时：outiRUURvR Rt t00时，时，U Uoutout=f(=f(t)t)是非线性关系，恒压源供电不是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。能消除温度影响。第105页/共123页10:03 AM1062、恒流源供电)(2tADCABCRRRRIIIADCABC21R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4ABCD第106页/共123页10:03 AM107outUIRou

50、tUR 11()()22outttUI RRRI RRR 可见，可见，电桥输出与电阻变化成正比电桥输出与电阻变化成正比，即与被，即与被测量成正比测量成正比，与恒流源电流成正比与恒流源电流成正比，即与恒流源，即与恒流源电流大小和精度有关。但电流大小和精度有关。但与温度无关与温度无关，因此不受，因此不受温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。此必须采取温度补偿措施。第107页/共123页10:03 AM1083. 3. 零点温度补偿零点温度补偿 零

51、点温度漂移是由于零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图。一般用串、并联电阻法补偿，如图所示。其中，所示。其中，R RS S是串联电阻；是串联电阻；R RP P是并联电阻。是并联电阻。串联电阻串联电阻主要起调零作用主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用并联电阻主要起补偿作用。补偿原理。补偿原理如下：如下： R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi第108页/共123页10:03 AM109 由于零点漂移，导致由于零点漂移，导致B B、D D两点电位不等，譬如，两点电位不等，譬如，当温

52、当温度升高时度升高时，R R2 2的增加比较大，使的增加比较大，使D D点电位低于点电位低于B B点，点，B B、D D两两点的电位差即为零位漂移。要消除点的电位差即为零位漂移。要消除B B、D D两点的电位差，最两点的电位差，最简单的办法是在简单的办法是在R R2 2上并联一个温度系数为负、阻值较大的上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻电阻R RP P，用来约束，用来约束R R2 2的变化。这样，当温度变化时，可减的变化。这样，当温度变化时，可减小小B B、D D点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，如在点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，如在R R3 3上并联一个温度系数为正、阻值

53、较大的电阻进行补偿，上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行补偿，作用是一样的。作用是一样的。 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi第109页/共123页10:03 AM110下面给出计算下面给出计算R RS S、R RP P的方法。的方法。 设设R R1 1 、R R2 2 、R R3 3 、R R4 4 与与R R11、R R22、R R33、R R44为四为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，R RS S、R RP P与与R RS S、R RS S分别为分别为R RS S、R RP P在低温与高温下的欲求数值。在低温与高温下的

54、欲求数值。 根据低温与高温下根据低温与高温下B B、D D两点的电位应该相等的条件，两点的电位应该相等的条件，得：得：21234PSPR RRRRRRR 21234PSPR RRRRRRR 设设R RS S、R RP P的温度系数的温度系数、为已知，则得为已知，则得TRRSS 1TRRPP 1计算出计算出R RS S、R RP P后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，便可起到温度补偿的作用。便可起到温度补偿的作用。第110页/共123页10:03 AM1113 3、灵敏度温度漂移、灵敏度温度漂移v漂移的原因：压阻系数随温度变化引起漂移的原因：压阻系数随

55、温度变化引起温度温度T44 温度升高时，压阻系数变小温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的变大，说明传感器的灵敏度系数为负值灵敏度系数为负值。第111页/共123页10:03 AM112补偿方法：改变电源流电压的方法补偿方法：改变电源流电压的方法inoutRUURinoutoutRTURUUinoutoutRTURUU第112页/共123页10:03 AM113 因为因为二极管二极管PNPN结的温度特性为负值，温度每升高结的温度特性为负值，温度每升高11时时，正向压降约减小，正向压降约减小(1.9(1.92.5)mV2.5)mV。将适当数量的二极管串。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见图。电源采用恒压源，当温度联在电桥的电源回路中，见图。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，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，将其串入使其输出增