生物医学传感-电阻传感器ppt课件

1、 根本任务原理是将被测物理量的变化转换成传感元根本任务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。件电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。 包括电位器式、压阻式、热阻式、应变式等。包括电位器式、压阻式、热阻式、应变式等。学习要点学习要点: : 1. 1. 电位器式传感器：线性电位器和非线性电电位器式传感器：线性电位器和非线性电位器位器 2. 2. 应变式传感器：应变效应、电桥丈量电路应变式传感器：应变效应、电桥丈量电路和温度补偿原理和温度补偿原理 3. 3. 压阻式传感器：压阻效应、丈量桥路及温压阻式传感器：压阻效应、丈量桥路及温度补偿度补偿第一节第一节 电

2、位器式传感器电位器式传感器 电位器是一种常用的电子元件，广泛运用电位器是一种常用的电子元件，广泛运用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来运用。来运用。特点特点: : 构造简单、尺寸小、分量轻、精度高、构造简单、尺寸小、分量轻、精度高、输出信号大、性能稳定。其缺陷是要求输入输出信号大、性能稳定。其缺陷是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。运用运用: : 主要用于

3、丈量位移、角位移，还可以丈主要用于丈量位移、角位移，还可以丈量能转换为位移的其它非电量如压力、高度量能转换为位移的其它非电量如压力、高度、加速度等各种参数。、加速度等各种参数。 分类分类: : 按其构造方式不同，可分为线绕式、薄按其构造方式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按输入膜式、光电式等；按输入- -输出特性的不同，输出特性的不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。用的以单圈线绕电位器居多。 常用电位器式传感器有:直线位移型、角位移型、非线性型。左图为典型的电位器式传感左图为典型的电位器式传感器的构造原理。它由电阻元

4、件器的构造原理。它由电阻元件包括骨架和金属电阻丝和包括骨架和金属电阻丝和电刷活动触点两个根本部电刷活动触点两个根本部分组成。分组成。由图可见，当有机械位移时，由图可见，当有机械位移时，电位器的动触点产生位移，而电位器的动触点产生位移，而改动了动触点相对于电位参考改动了动触点相对于电位参考点点A点的电阻点的电阻 ，从而实，从而实现了非电量位移到电量现了非电量位移到电量电阻值或电压幅值的转换。电阻值或电压幅值的转换。 电位器式传感器有线性和非电位器式传感器有线性和非线性电位器式传感器两大类。线性电位器式传感器两大类。xR1.1 1.1 电位器式传感器的构造电位器式传感器的构造图3-1 电位器式传感

5、器原理图a直线位移式 b转角位移式1金属电阻丝 2骨架 3电刷电位器式传感器构造方式电位器式传感器构造方式 电位器式传感器分类 滑线式 半导体式 骨架式 分段电阻式 液体触点式 电位器式传感器构造 如右图所示。 1.2 1.2 线性电位器式传感器线性电位器式传感器 线性电位器式传感器的理想空载负载电阻特性曲线应具有严厉的直线性关系。图3-2是线性电位器式传感器原理图。由图可见，线性电位器式传感器的骨架截面处处相等，由资料均匀的金属电阻丝按相等截距绕制成电阻元件，因此其最大电阻值为： 式中， 为导线的电阻率； 为导线的截面积； 和 分别为骨架的宽度 和高度； 为电位器线圈的总匝数。ANhbR)(

6、2maxAbhN图3-2 线性电位器式传感器原理图a构造图 b原理图 由于电位器单位长度上电阻值处处相等，当电刷行程为时，对应的空载输出电阻和输出电压分别为： 和 式中，和分别为电位器电刷的最大行程和加于电位器两端的最大电压；和分别为线性电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度。 由于，为导线间的节距，因此和可表示为： 和 式中，为导线中的电流。xkxxRRRxmaxmaxxkxxUUUxmaxmaxxmaxxmaxUUkRkNtxmaxAthbkR)(2AthbIkU)(2tUkRkI 实践上绕线线性电位器的变换是一匝一匝进展的，电刷每移过一匝，输出电压或电阻产生一个增量 ，其值为： 由此可见，绕线线

7、性电位器传感器的输入输出特性不是线性的，而是一条阶梯特性曲线。其理想阶梯特性曲线见图3-3。 由图3-3可求出绕线线性电位器传感器的电压分辨率 ，其定义为：在任务行程内电位器产生一个可测得出的输出电压变化量与最大输出电压之比的百分数，即： URNUUmaxBk%1001%100%100maxmaxmaxNUNUUUkB图3-3绕线线性电位器传感器理想阶梯特性曲线 由图3-3可求出绕线线性电位器传感器的阶梯误差 ，其定义为理想阶梯特性曲线与理想的实际直线的最大偏向值与最大输出电压之比的百分数，即： 上面研讨的是线性电位器的空载特性。实践上，由于负载电阻 ，当传感器带负载时的任务特性称为负载特性。

8、由于负载效应的存在，传感器的负载特性与理想空载特性之间存在着偏向称为负载误差。负载误差与负载电阻 的大小有关，负载电阻 愈大，负载误差愈小，反之亦然。%10021%100)21(%1002maxmaxmaxNUNUUUrjjrlRlRlR例：带负载线性电位器传感器电路见图例：带负载线性电位器传感器电路见图3-4。图中，。图中， ， ， ， ， 。求负载误差。求负载误差。假设假设 ，负载误差又是多少？，负载误差又是多少？解：位移解：位移 时传感器电阻和空载输出电压分别为：时传感器电阻和空载输出电压分别为：由图可求得带负载由图可求得带负载 时的输出电压为：时的输出电压为： V5maxU k5max

9、Rmmx50maxmmx30k20lRk 100lR)(k330505maxmaxxxRRxV330505maxmaxxxUUxxk20lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax83. 2203203)35(2032035图3-4带负载电位器传感器电路图 引起的负载误差为：引起的负载误差为： 假设负载假设负载 ，可求得输出电压为：，可求得输出电压为： 引起的负载误差为：引起的负载误差为： 由此可见，欲使负载误差小于由此可见，欲使负载误差小于1.0%，必需保证负载电阻，必需保证负载电阻 以上。以上。%7 . 5%1003383. 2%100 xxxllU

10、UUrk100lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax)(96. 210031003)35(100310035V%3 . 1%1003396. 2%100 xxxllUUUrmax20RRl 非线性电位器传感器是指在空载时其输出电压或电阻与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器触感器，也称为函数电位器传感器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其它恣意函数，因此可以满足控制系统的特殊要求。 常用的非线性电位器传感器有变骨架式、变节距式和分路电阻式等。1.3 非线性电位器传感器图3.5 变骨架高度式非线性电位器构造参数、A、t不变,只改动骨架宽

11、度b或高度h曲线上任取一小段,可视为直线，用图中折线逼近曲线电刷位移为x,对应的电阻变化就是R线性电位器灵敏度公式依然成立：1.3.1 1.3.1 变骨架式非线性电位器变骨架式非线性电位器当x0时,由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：212At dRhbdxAt dRhbIdx只需骨架高度满足左边式子，即可实现线性灵敏度要求。变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的,因此其行程分辨率与线性电位器计算式一样。 构造特点构造特点 变骨架式非线性电位器实际上可以实现所要求的许变骨架式非线性电位器实际上可以实现所要求的许多种函数特性多种函数特性, ,但构造必需满足：但构造必需满足： 1 1为保证强度

12、为保证强度, ,骨架的最小高度骨架的最小高度hmin3hmin34mm,4mm,不不能太能太 2 2骨架型面坡度骨架型面坡度应小于应小于20203030，否那么绕，否那么绕制时容易产生倾斜和打滑制时容易产生倾斜和打滑, , 产生误差产生误差, ,如图如图3.6(a)3.6(a)所所示。示。 减小误差方法：减小误差方法：1 1减小坡度，可采用对称骨架减小坡度，可采用对称骨架, ,如图如图3.6(b)3.6(b)所示。所示。2 2减小具有延续变化特性的骨架的制造和绕制困难减小具有延续变化特性的骨架的制造和绕制困难, , 将骨架设计成阶梯形的将骨架设计成阶梯形的, ,如图如图3.73.7所示所示,

13、,实践是对特实践是对特性曲线采用折线逼近。性曲线采用折线逼近。图图3.6 对称骨架式对称骨架式 a)骨架坡度太高骨架坡度太高;b)对称骨架减少坡度对称骨架减少坡度 图3.7 阶梯骨架式非线性电位器实践是对特性曲线采用折线逼近.1.3.2 1.3.2 变节距式非线性线绕电位器变节距式非线性线绕电位器变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的非线性线绕电位器。的非线性线绕电位器。 1.1.节距变化规律节距变化规律 变节距式电位器是在坚持变节距式电位器是在坚持、A A、b b、h h不变不变的条件下的条件下, ,用改动节距用改动节距t t的方法来实现所要的方法来实

14、现所要求的非线性特性求的非线性特性, ,如图如图3.83.8所示。可导出节所示。可导出节距的根本表达式为距的根本表达式为2 ()2(bhIbhtdRdUAAdxdx图3.8 变节距式非线性电位器 2. 构造与特点 骨架制造比较容易,绕制较困难，但近年来数字程控绕制机减小了绕制困难，只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况,普通 maxmaxminmin()3()dUtdxdUtdx其中可取其中可取 min(0.03 0.04)tdmm 分路电阻式非线性电位器传感器的任务原理实践上是经过折线逼近法来实现函数变换关系的，见图3-9 。图3-9 分路电阻式非线性电位器传感器a特性曲线 b电路图 1.3.

15、3 1.3.3 分路并联电阻式非线性电位器分路并联电阻式非线性电位器 要实现实曲线所要求的特性:线性电位器全行程分假设干段,引出一些抽头, 对每一段并联适当阻值,使得各段的斜率到达实线所需的大小(每一段内,电压输出是线性的),而电阻输出是非线性的.假设能求出各段并联电阻的大小,即可实现输出特性实线所要求的函数关系。 构造与特点 分路电阻式非线性电位器的行程分辨率与线性线绕电位器的一样。 分路电阻式非线性电位器原理上存在折线近似曲线所带来的误差,但加工、绕制方便,对特性曲线没有很多限制,运用灵敏,经过改动并联电阻,可以得到各种特性曲线。 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被丈量转换为电量输出

16、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一、任务原理一、任务原理 电阻应变效应电阻应变效应FFL Lr r电阻应变效应：金属导体电阻丝的电阻值随其变电阻应变效应：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景象。形伸长或缩短而发生变化的一种物理景象。在未遭到外力F的作用时，电阻值为：ALR当遭到拉力作用F后，电阻的相对变化量为:0/(12 )KRR0/12K -电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数 =dL/L (=dL/L (纵向应变纵向应变) )讨论：1 1、应变的灵敏系数、应变

17、的灵敏系数K0K0受二个要素的影响：受二个要素的影响：几何外形变化的影响几何外形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、 对于金属资料：对于金属资料：21,210K对于半导体资料：对于半导体资料：0,21K压阻效应压阻效应应变效应应变效应0(12 )RRK 1 1、构造、构造 电阻应变片由基底、敏感栅、盖片有时加上引出线组成。用粘贴剂将其粘贴在一同，构成完好的应变片。(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。粘贴在应变变化均匀且较大的地方。基底、盖片基底、盖片 敏感栅敏感栅引出线引出线金属丝式金属丝式纸基、胶基纸基、胶基金属丝金属丝 1250 m

18、(回线式、短接式）回线式、短接式）康铜、镍铬合金、铂等康铜、镍铬合金、铂等 0.10.15mm镀锡铜丝镀锡铜丝金属箔式金属箔式胶基胶基金属箔片厚金属箔片厚310 m(通过照相制版或光刻技术通过照相制版或光刻技术)康铜、镍铬合金康铜、镍铬合金有或无有或无金属薄膜式金属薄膜式金属薄膜厚金属薄膜厚0.1 m以下以下溅射到相应的位置溅射到相应的位置无无1 1应变片的类型应变片的类型常用金属电阻丝资料的性能常用金属电阻丝资料的性能 最常用最常用动态动态中高温中高温高温高温3 3应变片的资料应变片的资料三、金属应变片的主要特性贴在试件上后讨三、金属应变片的主要特性贴在试件上后讨论论1. 1. 灵敏系数灵敏

19、系数 kRR缘由：缘由：1 1粘贴层传送变形失真粘贴层传送变形失真 , , 2 2横向效应。横向效应。且且 kk0 kk0。各种应变片2. 2. 横向效应横向效应 y x - y纵向伸长作用使电阻值添加纵向伸长作用使电阻值添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。3. 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，其应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 缘由：剩余应变；在制造或粘贴应变片时，敏缘由：剩余应变；在制造或粘贴应变片时，敏感栅遭到不适当

20、的变形或者粘结剂固化不充分。感栅遭到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。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4 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,缘由：存在内应力、内部构造变化、黏合剂受潮缘由：存在内应力、内部构造变化、黏合剂受潮缘由：绝缘电阻低、产生热电势等缘由：绝缘电阻低、产生热电势等5 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、动态特性丈量变化频率较高的动态应变时思索。丈量变化频率较高的动态应变时思索。应变

21、片反映敏感栅的平均应变。应变片反映敏感栅的平均应变。 应变片传播速度应变片传播速度V=V=声波，声波，sm/5000钢材1).1).阶跃呼应阶跃呼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践呼应曲线实践呼应曲线0.8rltv2).2).正弦应变波变化正弦应变波变化设：在应变片恣意位置上设：在应变片恣意位置上x x，经过的应变波为：，经过的应变波为：x2sin0122102sinxxdxxxxp那么基长那么基长l l的平均应变的平均应变: :1202cos2cos2xxl假设测出的是平均应变的最大值假设测出的是平均应变的最大值: :242421lXlXl

22、lpsin:0则相对误差相对误差: :%1001sin%10000llp(%)lln 误差 与n有关，n越大， 越小普通取2010 nl%4 . 06 . 1则四、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)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和资料线膨胀系数的影响电阻温度系数的影响和资料线膨胀系数的影响2) 2) 电阻丝资料与受力件资料的线膨胀系数不同，使电电阻丝资料与受力件资料的线膨胀系数不同，使电阻相对变化为：阻相对变化为：tKRRttcmtcm

23、式中式中mm受力件资料的线膨胀系数；受力件资料的线膨胀系数； c c电阻丝资料的线膨胀系数；电阻丝资料的线膨胀系数； 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：RRRRRRtttttKcm应变误差：应变误差：tKcm应力误差：应力误差：1tmcRRKttKK tmcRREEEtKK 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（通常有应变片自补偿和线路补偿。通常有应变片自补偿和线路补偿。 2 2、 温度补偿温度补偿 1)1)自

24、补偿法自补偿法)(cmK设法取：RRRRRRtttttKcm0)(cmK则：(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。Uo=A(R1R4-R2R3) Uo=A(R1R4-R2R3) R2243214)(RURRRRUAR1任务片任务片FR2补偿片补偿片补偿块补偿块1414oUAR R KUK 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(U41U210R1拉拉R2压压F五、丈量电路电阻值的电阻值的变化

25、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R1R2R4R3ACBEDIoRLUo直流电桥直流电桥 当当RLRL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当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0Uo=0，那么，那么 R1R4=R2R33124RRRR此式为电桥平衡条件，即：此式为电桥平衡条件，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 当受应变时，假设应

26、变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，那么电桥不平衡，输出电压为 ：2. 2. 电压灵敏度电压灵敏度3111411234112344131124113()()11oRRRR RUEERRRRRRRRRRRRRRERRRRRR 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，平衡条件R2/R1=R4/R3， 那么： 121(1)oRnUEnR 电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：211(1)oUUnKERnR 3. 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

27、二二 交流电桥交流电桥Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)交流电桥交流电桥11112222334411RZj R CRZj R CZRZR C1、C2表示应变片引线分表示应变片引线分布电容。布电容。 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： 2413RRRR2112RCRCR1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD交流电桥平衡调理交流电桥平衡调理六、六、 应变片传感器的运用应变片传感器的运用1 1力传感器力传感器2 2

28、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(a)(b)(c)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(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。构造图构造图2) 2) 环式力传感器环式力传感器应力分布应力分布冲床消费记数和消费过程监测。冲床消费记数和消费过程监测。将物品分量经过悬臂梁转化构造变形，再经过应变片转化为电量输出。tr

29、xhRpR2R1R4R3rt(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微 压 传 感 器电 阻 应 变敏 感 元 件传 压 杆感 压 膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R120()KK QUA 应变式加速度传感器主要用于物体应变式加速度传感器主要用于物体加速度的丈量。加速度的丈量。 根本任务原理：物体运动的加速度根本任务原理：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即质量成反比，即a=F/ma=F/m。 电阻应变式加速度传感器构造图电阻应变式加速度传感器构造图

30、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振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器: : 适宜于金库、仓库、古建筑的防备，挖墙、适宜于金库、仓库、古建筑的防备，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。桥梁固有频率丈量桥梁固有频率丈量: :脉象传感器脉象传感器 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。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分散型固态压阻式传感器分散型压阻传感器：压阻传感器：应变电阻与硅基片一体化应变电阻与硅基

31、片一体化2(12)d Rd ld ldRldl资料阻值变化：资料阻值变化：应变为泊松比；:一、压阻效应一、压阻效应 压阻效应：当固体资料在某一方向接受应压阻效应：当固体资料在某一方向接受应 力时，其电阻率或电阻发生变化的景象。力时，其电阻率或电阻发生变化的景象。: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：对金属资料：对金属资料：(12)mdRKR对半导体资料：对半导体资料：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普通可达普通可达50-100,50-100,比比1+21+

32、22 2 大大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体资料电阻相对变化几十倍甚至上百倍，因此引起半导体资料电阻相对变化的主要缘由是压阻效应，所以上式可近似写成：的主要缘由是压阻效应，所以上式可近似写成：mmsKKK10050 晶体是具有多面体形状的固体，由分子、原子或离子有晶体是具有多面体形状的固体，由分子、原子或离子有规那么陈列而成。这种多面体的外表由称为晶面的许多平面规那么陈列而成。这种多面体的外表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。为了阐明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，为晶体的顶点。为了阐明晶

33、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，用通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X X、Y Y、Z Z表示。表示。二、晶向的表示方法二、晶向的表示方法 分散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向分散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性资料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，异性资料，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。所谓晶向就是晶面的法线方向。C ZOBAXY Y11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示 硅为立方晶体构造，就取立方晶体的三个相邻边硅为立方晶体构造，就取立方晶体的三个相邻边为为X X、Y

34、Y、Z Z。在晶轴。在晶轴X X、Y Y、Z Z上取与一切晶轴相交的上取与一切晶轴相交的某晶面为单位晶面，如下图。某晶面为单位晶面，如下图。 此晶面与坐标轴上的截距为此晶面与坐标轴上的截距为OAOA、OBOB、OCOC。知某晶面在。知某晶面在X X、Y Y、Z Z轴上的截距为轴上的截距为OAxOAx、OByOBy、OCzOCz，它们与单位晶面在坐标，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成：轴截距的比可写成： 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

35、数也为没有公约数1 1除外的简单整数。根除外的简单整数。根据上述关系式，可以看出截距据上述关系式，可以看出截距OAxOAx、OByOBy、OCzOCz的晶面，能的晶面，能用三个简单整数用三个简单整数h h、k k、l l来表示。来表示。h h、k k、l l称为密勒指数。称为密勒指数。rqpOCOCOBOBOAOAzyx:1 1 1: : :xyzOA OBOCh k lOA OBOCp q r 而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为(hkl)，晶面选集符号为hkl，晶向符号为 hkl，晶向选集符号为hkl。晶面所截的线段对于X轴，O点之前为正，O点之后为负；对于Y轴，O点右边为正

36、，O点左边为负；对于Z轴，在O点之上为正，O点之下为负。 C ZOBAXY11根据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方根据上述规定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bav 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。例：例：111111111v 晶向、晶面、晶面族分别为：v 晶向、晶面、晶面族分别为：

37、xy111zzxy4-2-2 122122122判别两晶面垂直判别两晶面垂直v两晶向两晶向Ah1k1l1 与与Bh2k2l2:212121llkkhhBA垂直0212121llkkhhBA不垂直0212121llkkhhBA三、压阻系数三、压阻系数1 1、单晶硅的压阻系数、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。的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。电阻率的变化与应力

38、分量之间的关系电阻率的变化与应力分量之间的关系: :654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654321分析分析: : 剪切应力不能够产生正向压阻效应剪切应力不能够产生正向压阻效应 正向应力不能够产生剪切压阻效应正向应力不能够产生剪切压阻效应 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 剪切压阻系数相等剪切压阻系数相等 正向压阻系数相等正向压阻系数相等 横向压阻系数相等横向压阻系数相等11121212111212121144444400000

39、0000000000000000000441211、分别为纵向、横向和分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数剪切方向的压阻系数 对对P P型硅型硅( (掺杂三价元素：掺杂三价元素： 1111、 120 120，只思索，只思索44 44 ： 对对N N型硅型硅( (掺杂五价元素掺杂五价元素 ： 44 0 44 0 ， 12 -1/211 12 -1/211 ，晶体导电类型电阻率（.m)11 12 44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6压阻系数压阻系数10-11m2/NpQ2 2、恣意方向、恣意方向P P方向电阻变化方向电阻变化/123I/dRR v：

40、 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 知：知：(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦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,z是密勒指数的方向余弦为是密勒指数的方向余弦为： 例例1：计算：计算100晶面内晶面

41、内011晶向的纵向晶向的纵向与横向压阻系数。与横向压阻系数。v100 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：v l1、m1、n1, l2、m2、n201l21111221m21111221n02l211) 1(1222m211) 1(1222n)(212121)(244121144121111/)(21)21212121)(44121144121112)( 221212121212144121111/nlnmml)(22212221222144121112nnmmll1112/444401122P

42、 对 型硅：441211/111110,21144N 对 型硅： 例例2：计算：计算110晶面内晶面内110晶向的纵向与晶向的纵向与横向压阻系数。横向压阻系数。v设设110110晶面内晶向的普通方式为晶面内晶向的普通方式为hkl,hkl,那么：那么：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：v设设 110 与与 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)(212121)(244121144121111/1244121

43、1120)(02144/型硅：对P1111/2141型硅：对N3 3、影响压阻系数的要素、影响压阻系数的要素 分散电阻的外表杂质浓度和温度。分散电阻的外表杂质浓度和温度。120140100806040201018101910201021外表杂质浓度NS /cm-3P型Si(44)N型Si(-11) 11或 44 / 10-11m2/NT=24压阻系数与外表杂质浓度NS的关系v分散杂质浓度添加，压阻系数都要减小分散杂质浓度添加，压阻系数都要减小解释：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

44、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 / v外表杂质浓度低时，温度添加压阻系数下降快外表杂质浓度低时，温度添加压阻系数下降快v外表杂质浓度高时，温度添加压阻系数下降慢外表杂质浓度高时，温度添加压阻系数下降慢en1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 / vNs大，大， 变化较小变化较小 变化小变化小vNs小，小， 变化大变化大 变化大变化大 Ns大： 受温度影响小 高浓度分散，使p-n结击穿电压绝缘电阻漏电漂移性能不稳定四、固态压阻器件四、固态压阻器件1、固态压阻器件的构造原理、固态压阻器件的构造原理1 N-Si膜片

45、2 P-Si导电层 粘贴剂 硅底座 引压管 Si 维护膜 7 引线 当硅单晶在恣意晶向遭到纵向和横向应力作用时，如图 (a)所示，其阻值的相对变化为： 式中 l纵向应力； t横向应力； l纵向压阻系数； t横向压阻系数。力敏电阻受力情况表示图力敏电阻受力情况表示图llttRR a001100010llttR 在硅膜片上，根据在硅膜片上，根据P P型电阻的分散方向不同可分为径向电型电阻的分散方向不同可分为径向电阻和切向电阻，如图阻和切向电阻，如图 (b) (b)所示。分散电阻的长边平行于膜片半所示。分散电阻的长边平行于膜片半径时为径向电阻径时为径向电阻RrRr；垂直于膜片半径时为切向电阻；垂直于

46、膜片半径时为切向电阻RtRt。当圆形。当圆形硅膜片半径比硅膜片半径比P P型电阻的几何尺寸大得多时，其电阻相对变化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：可分别表示如下： ttrlrRRrttltRR trlrttltRrRtbllttRR 假设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： 式中r、x、h膜片的有效半径、计算点半径、厚度m；泊松系数，硅取=0.35；P压力Pa。2223138rPrxh222311 38tPrxhtrrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的应力分布图平膜片的应力分布图根据上两式作出曲

47、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=0.635rx=0.635r时，时，r=0r=0；x0.635rx0r0，即为拉应力；，即为拉应力；x0.635rx0.635r时，时，r0r0，即为压应力。，即为压应力。x=0.812rx=0.812r时，时，t=0t=0，仅有，仅有rr存在，且存在，且r0r0，即为压应力。，即为压应力。00.51方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应压阻效应 在在001晶向的晶向的N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110与与110两晶向分散四个两晶向分散四个P型电阻条型电阻

48、条xyztrrRR /11/rttRR /11/110110 1、在、在110晶向：分散两个径向晶向：分散两个径向P型电阻型电阻222 22 2/44111 1112()l mm nl n11111022lmn/44122 22222441 21212()l lm mn n22211022lmn44122、在、在110晶向：分散两个切向晶向：分散两个切向P型电阻型电阻222222/441111112()l mm nl n02121111nml/441202121222nml4412 2 22222441 21212()l lm mn n 所以：所以：24444213()(1)28rtrRprR

49、h 24444213()(1)28rttRprRh trRRRR rRR tRR RRr电阻变化与电阻变化与r的关系：的关系：如：分散在如：分散在0.812r处，此时处，此时t=0rrrRR44/21 trRRRR rrtRR4421 方案二：只利用纵向压阻效应方案二：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0.635r0.635r之内与之外各分散两个之内与之外各分散两个P P型电阻条，型电阻条，110110的横向为的横向为001001。110001R1R2R3R402121111nml44/21100222nml0rRR44/

50、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：由于在由于在0.635r0.635r半径之内半径之内rr为正值，在为正值，在0.635r0.635r半径之半径之外外rr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 riroiRRoRR riroioRRRR 即可组成差动电桥。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。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1 1、恒压源供电、恒压源供电 分散电阻起始

51、阻值都为分散电阻起始阻值都为R R，当有应力作用时，两个电，当有应力作用时，两个电阻阻值添加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为阻阻值添加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为RtRt：R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4五、丈量桥路及温度补偿电桥输出为：电桥输出为： ()()itoutttitttU RRRURRRRRRU RRRRRRRRR outitRUURR 当当Rt=0Rt=0时：时：outiRUURvRt0Rt0时，时，Uout=f(Uout=f(t)t)是非线性关系，恒压源供电不能是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。消除温度影响。2 2、恒流源供电、恒流

52、源供电)(2tADCABCRRRRIIIADCABC21R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4ABCDoutUIRoutUR 11()()22outttUI RRRI RRR 可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被丈量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源丈量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关。但与温度无关，因此不受电流大小和精度有关。但与温度无关，因此不受温度的影响。但是，压阻器件本身遭到温度影响温度的影响。但是，压阻器件本身遭到温度影响后，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

53、漂移，因此必需采取温度补偿措施。此必需采取温度补偿措施。3. 3. 零点温度补偿零点温度补偿 零点温度漂移是由于四个分散电阻的阻值零点温度漂移是由于四个分散电阻的阻值及其温度系数不一致呵斥的。普通用串、并联电阻及其温度系数不一致呵斥的。普通用串、并联电阻法补偿，如下图。其中，法补偿，如下图。其中，RSRS是串联电阻；是串联电阻；RPRP是并联是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。补偿原理如下：补偿作用。补偿原理如下： R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi 由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，当温度升

54、高时，R2的添加比较大，使D点电位低于B点，B、D两点的电位差即为零位漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的方法是在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。这样，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位差，以到达补偿的目的。当然，如在R3上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进展补偿，作用是一样的。 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi下面给出计算下面给出计算RSRS、RPRP的方法。的方法。 设设R1、R2、R3、R4与与R1、R2、R3、R4为四个桥臂为四个桥臂电阻在低温暖高温下的实测数据，电阻在低温暖高温下的实测数据，RS、RP与与RS、

55、RS分分别为别为RS、RP在低温与高温下的欲求数值。在低温与高温下的欲求数值。 根据低温与高温下B、D两点的电位应该相等的条件，得：21234PSPR RRRRRRR 21234PSPR RRRRRRR 设设RSRS、RPRP的温度系数的温度系数、为知，那么得为知，那么得TRRSS 1TRRPP 1计算出计算出RSRS、RPRP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。3 3、灵敏度温度漂移、灵敏度温度漂移v漂移的缘由：压阻系数随温度变化引起漂移的缘由：压阻系数随温度变化引起温度温度T44 温度升高时，压阻系

56、数变小；温度降低时，压阻系数温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，阐明传感器的灵敏度系数为负值。变大，阐明传感器的灵敏度系数为负值。补偿方法：改动电源流电压的方法补偿方法：改动电源流电压的方法inoutRUURinoutoutRTURUUinoutoutRTURUU 由于二极管由于二极管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

57、，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压添加，升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压添加，使其输出增大。只需计算出所需二极管的个数，将其串入使其输出增大。只需计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以到达补偿的目的。电桥电源回路，便可以到达补偿的目的。 R4R2R1UoutR3方法方法2 2：串联正向二极管：串联正向二极管压阻式传感器常用补偿方法压阻式传感器常用补偿方法 硬件线路补偿硬件线路补偿 软件补偿软件补偿 公用补偿芯片补偿公用补偿芯片补偿 MCA7707 MCA7707是一种采用是一种采用CMOSCMOS工艺的模拟传感信工艺的模拟传感信号处置器。它通常被运用于于压阻式压力

58、传号处置器。它通常被运用于于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。感器的校正和温度补偿。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: :硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高5050100100倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊要求，运用本钱相应较低。接口电路无特殊要求，运用本钱相应较低。 分辨率高分辨率高: :由于它是一种非机械构造传感器，因此由于它是一种非机械构造传感器，因此分辨率极高。分辨率极高。 体积小、分量轻、频率呼应高体积小、分量轻、频率呼应高: :由于芯体采用集成由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，分量轻。小工艺，又无传动部件，因此体积小，分量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固尺寸芯片加上硅极高的弹