生物医学传感电阻传感器课件

1、3:21 AM1第三章 电阻式传感器 13:23 AM1第三章 电阻式传感器 13:21 AM2 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。 包括电位器式、压阻式、热阻式、应变式等。学习要点: 1. 电位器式传感器：线性电位器和非线性电位器 2. 应变式传感器：应变效应、电桥测量电路和温度补偿原理 3. 压阻式传感器：压阻效应、测量桥路及温度补偿工作原理3:23 AM2 学习要点:工作原理3:21 AM3第一节 电位器式传感器 电位器是一种常用的电子元件，广泛应用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一定函数关系

2、的电阻或电压输出的传感元件来使用。特点: 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。应用: 主要用于测量位移、角位移，还可以测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。 分类: 按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按输入-输出特性的不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。3:23 AM3第一节 电位器式传感器 电位器是一3:21 AM4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器的结构原理。它由电阻元件（包括骨架和金属电阻丝）和电刷（

3、活动触点）两个基本部分组成。由图可见，当有机械位移时，电位器的动触点产生位移，而改变了动触点相对于电位参考点（A点）的电阻 ，从而实现了非电量（位移）到电量（电阻值或电压幅值）的转换。 电位器式传感器有线性和非线性电位器式传感器两大类。1.1 电位器式传感器的结构3:23 AM4常用电位器式传感器有:直线位移型、角位移型、3:21 AM5图3-1 电位器式传感器原理图a）直线位移式 b）转角位移式1金属电阻丝 2骨架 3电刷3:23 AM5图3-1 电位器式传感器原理图3:21 AM6电位器式传感器结构形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结构 如右图所示

4、。 3:23 AM6电位器式传感器结构形式电位器式传感器分类3:21 AM71.2 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）特性曲线应具有严格的直线性关系。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，由材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。图3-2 线性电位器式传感器原理图a）结构图 b）原理图3:23 AM71.2 线性电位器式传感器线性电位器式传感3:21 AM8由于电位器单位长度上电阻值处处相等，当电刷行程

5、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。3:23 AM8由于电位器单位长度上电阻值处处相等，当电刷行3:21 AM9实际上绕线线性电位器的变换是一匝一匝进行的，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：在工作行程

6、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： 图3-3 绕线线性电位器传感器理想阶梯特性曲线3:23 AM9实际上绕线线性电位器的变换是一匝一匝进行的，3:21 AM10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理论直线的最大偏差值与最大输出电压之比的百分数，即：上面研究的是线性电位器的空载特性。实际上，由于负载电阻 ，当传感器带负载时的工作特性称为负载特性。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差称为负载误差。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。3:23 AM10由

7、图3-3可求出绕线线性电位器传感器的阶梯3:21 AM11例：带负载线性电位器传感器电路见图3-4。图中， ， ， ， ， 。求负载误差。若 ，负载误差又是多少？解：位移 时传感器电阻和空载输出电压分别为：由图可求得带负载 时的输出电压为： 图3-4 带负载电位器传感器电路图3:23 AM11例：带负载线性电位器传感器电路见图3-4。3:21 AM12 引起的负载误差为： 若负载 ，可求得输出电压为： 引起的负载误差为： 由此可见，欲使负载误差小于1.0%，必须保证负载电阻 以上。3:23 AM12 引起的负载误差为：3:21 AM13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

8、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、三角函数及其它任意函数，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3:23 AM13非线性电位器传感器是指在空载时其输出电压（3:21 AM14图3.5 变骨架高度式非线性电位器结构参数、A、t不变,只改变骨架宽度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仍然成立：1.3.1 变骨架式非线性电位器3:23 AM14图3.5 变骨架高度式非线性电位器结构参

9、数3:21 AM15当x0时,由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：只要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相同。3:23 AM15当x0时,由上述两个公式可求出骨架高度3:21 AM16 结构特点 变骨架式非线性电位器理论上可以实现所要求的许多种函数特性,但结构必须满足： （1）为保证强度,骨架的最小高度hmin34mm,不能太 （2）骨架型面坡度应小于2030，否则绕制时容易产生倾斜和打滑, 产生误差,如图3.6(a)所示。 减小误差方法：（1）减小坡度，可采用对称骨架,如图3.6(b)所示。（2）减小具

10、有连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,如图3.7所示,实际是对特性曲线采用折线逼近。3:23 AM16 结构特点3:21 AM17图3.6 对称骨架式 （a)骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度3:23 AM17图3.6 对称骨架式 3:21 AM18 图3.7 阶梯骨架式非线性电位器实际是对特性曲线采用折线逼近.3:23 AM18 图3.7 阶梯骨架式非线性电位器实际3:21 AM191.3.2 变节距式非线性线绕电位器变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的非线性线绕电位器。 1.节距变化规律 变节距式电位器是在保持、A、b、h不变的条件下,用改变节距t的方法来实现

11、所要求的非线性特性,如图3.8所示。可导出节距的基本表达式为3:23 AM191.3.2 变节距式非线性线绕电位器3:21 AM20图3.8 变节距式非线性电位器 3:23 AM20图3.8 变节距式非线性电位器 3:21 AM212. 结构与特点 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,一般 其中可取 3:23 AM212. 结构与特点其中可取 3:21 AM22分路电阻式非线性电位器传感器的工作原理实际上是通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

12、.3.3 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若干段,引出一些抽头, 对每一段并联适当阻值,使得各段的斜率达到实线所需的大小(每一段内,电压输出是线性的),而电阻输出是非线性的.若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。3:23 AM22分路电阻式非线性电位器传感器的工作原理实际3:21 AM23 结构与特点 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相同。 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,使用灵活,通过改变并联电阻,可以得到各种特性曲线。3:23 AM

13、23 结构与特点3:21 AM24第二节 应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应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非电量应变电阻应变片弹性元件电阻变化传感器3:23 AM24第二节 应变式传感器 应变式传感器3:21 AM25一、工作原理 （电阻应变效应）FFLLrr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的作用时，电阻值为：3:23 AM25一、工作原理 （电阻应变效应）FFLLr3:21 AM26当受到拉力作用F后，电阻的相对变化量为:-电阻丝的灵敏度系数 =dL/L (纵向应变)3:23 AM

14、26当受到拉力作用F后，电阻的相对变化量为:-3:21 AM27讨论：1、应变的灵敏系数K0受二个因素的影响：几何形状变化的影响电阻率发生变化的影响 2、 对于金属材料：对于半导体材料：压阻效应应变效应3:23 AM27讨论：1、应变的灵敏系数K0受二个因素的影3:21 AM28二、应变片结构与类型 1、结构 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起，构成完整的应变片。3:23 AM28二、应变片结构与类型 1、结构 电阻3:21 AM292、应变片的类型、材料及粘贴(2)应变片的粘贴 粘贴在应变变化均匀且较大的地方。基底、盖片 敏感栅引出线金属丝式纸基、胶

15、基金属丝1250m(回线式、短接式）康铜、镍铬合金、铂等0.10.15mm镀锡铜丝金属箔式胶基金属箔片厚310m(通过照相制版或光刻技术)康铜、镍铬合金有或无金属薄膜式金属薄膜厚0.1m以下溅射到相应的位置无（1）应变片的类型3:23 AM292、应变片的类型、材料及粘贴(2)应变片的3:21 AM303:23 AM303:21 AM31常用金属电阻丝材料的性能 最常用动态中高温高温（3）应变片的材料3:23 AM31常用金属电阻丝材料的性能 最常用动态中高温3:21 AM32三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨论）1. 灵敏系数原因：1）粘贴层传递变形失真 , 2）横向效应。且 kk0。

16、各种应变片3:23 AM32三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨论3:21 AM332. 横向效应yx-y纵向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小电阻增量 减小。3:23 AM332. 横向效应yx-y纵向伸长作用3:21 AM343. 机械滞后 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。 原因：残余应变；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受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3:23 AM343. 机械滞后 应变片粘贴在被测试3:21 AM354、零漂和蠕变即：即：零漂：,蠕变：,原因：存在内应力、内部结

17、构变化、黏合剂受潮原因：绝缘电阻低、产生热电势等3:23 AM354、零漂和蠕变即：即：零漂：,蠕变：,原因3:21 AM365、应变极限6、电阻值或称原始电阻值7、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。 应变片传播速度V=声波，3:23 AM365、应变极限6、电阻值或称原始电阻值7、动3:21 AM371).阶跃响应阶跃应变应变栅长度应变波传播速度上升时间实际响应曲线3:23 AM371).阶跃响应阶跃应变应变栅长度应变波传播3:21 AM382).正弦应变波变化设：在应变片任意位置上x，通过的应变波为：3:23 AM382).正弦应变波变化设：在应变片任意

18、位置上3:21 AM39则基长l的平均应变:若测出的是平均应变的最大值:3:23 AM39则基长l的平均应变:若测出的是平均应变的最3:21 AM40相对误差: 误差 与n有关，n越大， 越小一般取3:23 AM40相对误差: 误差 与n有3:21 AM41四、温度误差及补偿1、温度误差：1)敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化电阻温度系数的影响和材料线膨胀系数的影响3:23 AM41四、温度误差及补偿1、温度误差：1)敏感栅3:21 AM422) 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：式中m受力件材料的线膨胀系数； c电阻丝材料的线膨胀系数； K应变片灵敏度总电阻温度相对误差

19、：3:23 AM422) 电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不3:21 AM43应变误差：应力误差：3:23 AM43应变误差：应力误差：3:21 AM44【习题1】 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？3:23 AM44【习题1】 一试件为钢材，电阻丝为康3:21 AM45通常有应变片自补偿和线路补偿。 2、 温度补偿 （1)自补偿法3:23 AM45通常有应变片自补偿和线路补偿。 2、 温度3:21 AM46(2) 线路补偿法: 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。Uo=A(R1

20、R4-R2R3) R23:23 AM46(2) 线路补偿法:Uo=A(R1R4-R3:21 AM47R1工作片FR2补偿片补偿块3:23 AM47R1工作片FR2补偿片补偿块3:21 AM48半桥进行补偿（另一种方法）既实现了温度补尝，又实现了提高灵敏度的作用。R1（拉）R2（压）F3:23 AM48半桥进行补偿（另一种方法）既实现了温度补尝3:21 AM49五、测量电路电阻值的变化电压/电流的变化1 直流电桥2 交流电桥3:23 AM49五、测量电路电阻值的电压/电流的1 直流电3:21 AM50直流电桥 当RL时，电桥输出电压为： 1. 直流电桥平衡条件（一）直流电桥3:23 AM50直流

21、电桥 当RL时，电桥输出电压为： 3:21 AM51当电桥平衡时，Uo=0，则 R1R4=R2R3此式为电桥平衡条件，即： 电桥相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。3:23 AM51当电桥平衡时，Uo=0，则 R1R4=R23:21 AM52 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. 电压灵敏度3:23 AM52 当受应变时，若应变片电阻变化为R3:21 AM53设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，平衡条件R2/R1=R4/R3， 则： 电桥电压灵敏度定义为：3:23 AM53设桥臂比n=R2/R1，由于R1

22、R13:21 AM543. 差动电桥差动半桥 差动全桥 3:23 AM543. 差动电桥差动半桥 差动全桥 3:21 AM55（二） 交流电桥交流电桥3:23 AM55（二） 交流电桥交流电桥3:21 AM56C1、C2表示应变片引线分布电容。 可求得交流电桥的平衡条件为： 3:23 AM56C1、C2表示应变片引线分布电容。 可求得3:21 AM57交流电桥平衡调节3:23 AM57交流电桥平衡调节3:21 AM58六、 应变片传感器的应用1力传感器2压力传感器3液重传感器4加速度传感器3:23 AM58六、 应变片传感器的应用1力传感器2压力传3:21 AM591) 圆柱(筒)式力传感器柱

23、式筒式圆柱面展开图桥路连线图1、 应变式力传感器3:23 AM591) 圆柱(筒)式力传感器柱式筒式圆柱面3:21 AM60与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。结构图2) 环式力传感器应力分布3:23 AM60与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。3:21 AM613:23 AM613:21 AM623:23 AM623:21 AM63冲床生产记数和生产过程监测。3:23 AM63冲床生产记数和生产过程监测。3:21 AM643:23 AM643:21 AM65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。3:23 AM65将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应3

24、:21 AM66膜片式压力传感器应变变化图应变片粘贴2 、应变式压力传感器3:23 AM66膜片式压力传感器应变变化图应变片粘贴2 、3:21 AM673、 容器内液重传感器3:23 AM673、 容器内液重传感器3:21 AM68 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。 4、 加速度传感器3:23 AM68 应变式加速度传感器主要用于物体加速3:21 AM69电阻应变式加速度传感器结构图 适用1060 Hza=F/m3:23 AM69电阻应变式加速度传感器结构图 适用1063:21 AM70振动

25、式地音入侵探测器: 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。3:23 AM70振动式地音入侵探测器: 适合于金库、3:21 AM71桥梁固有频率测量:3:23 AM71桥梁固有频率测量:3:21 AM72脉象传感器3:23 AM72脉象传感器3:21 AM73 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。第二节 压阻式传感器体型压力传感器：半导体应变式固态压阻式传感器（扩散型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化3:23 AM73 压阻传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术3:21 AM74材料阻值变化：一、压阻效应压阻效应：当固体材料在某一

26、方向承受应力时，其电阻率（或电阻）发生变化的现象。3:23 AM74材料阻值变化：一、压阻效应压阻效应：当固体3:21 AM75电阻相对变化量：对金属材料：3:23 AM75电阻相对变化量：对金属材料：3:21 AM76对半导体材料： 式中： 压阻系数； E弹性模量； 应力； 应变。 由于半导体的E一般可达50-100,比（1+2）2 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主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成：mmsKKK10050=3:23 AM76对半导体材料： 式中： 压阻系数；3:21 AM77 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

27、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 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。3:23 AM77 晶体是具有多面体形态的固体，由分子3:21 AM78C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示 硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示。 此晶面与坐标轴上的截距为OA、O

28、B、OC。已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成：3:23 AM78C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示 3:21 AM79 式中，p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。为了方便取其倒数得：式中，h、k、l也为没有公约数（1除外）的简单整数。依据上述关系式，可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。3:23 AM793:21 AM80 而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为(hkl)，晶面全集符号为hkl，晶向符号为 hkl，晶向全集符号为hkl。晶面所截的线段

29、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，O点左边为负；对于Z轴，在O点之上为正，O点之下为负。 C ZOBAXY113:23 AM80 而晶向是晶面的法线方向，根据有关的3:21 AM81依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。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内几种不同晶向与晶面（b）（a） 对立方晶系（x=y=z,xyz),面指数为（hkl)的晶面与密勒指数为hkl的晶向彼此垂直。3:23 AM81依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分3:21 AM82例： 晶向、晶面、晶面

30、族分别为： 晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-23:23 AM82例： 晶向、晶面、晶面族分别为： 晶向、晶3:21 AM83判断两晶面垂直两晶向Ah1k1l1 与Bh2k2l2:3:23 AM83判断两晶面垂直两晶向Ah1k1l1 与3:21 AM84三、压阻系数1、单晶硅的压阻系数六个独立的应力分量：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。3:23 AM84三、压阻系数1、单晶硅的压阻系数六个独立的3:21 AM85电阻率的变化与应力分量之间的关系:3:23 AM85电阻率的变化与

31、应力分量之间的关系:3:21 AM86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分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数3:23 AM86分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应分别为3:21 AM87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 ，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（10-11m2/N）3:23 AM87对

32、P型硅(掺杂三价元素）：晶体导电类型电阻3:21 AM88pQ2、任意方向（P方向）电阻变化/123I： 纵向应力 ：横向应力：纵向压阻系数 : 横向压阻系数3:23 AM88pQ2、任意方向（P方向）电阻变化/3:21 AM89将各个压阻系数向P、Q方向投影: 已知：(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦3:23 AM89将各个压阻系数向P、Q方向投影: 已3:21 AM90关于方向余弦某晶向xyz(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：3:23 AM90关于方向余弦某晶向xyz(x,y,z是3:21 AM91 例1：计算（100）晶面内011晶向的纵向与横向压阻系数

33、。（100） 晶面内 011 晶向的横向为 011 晶向yxz设011与011晶向的方向余弦分别为： l1、m1、n1, l2、m2、n23:23 AM91 例1：计算（100）晶面内03:21 AM923:23 AM923:21 AM933:23 AM933:21 AM94 例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向与横向压阻系数。设（110）晶面内晶向的一般形式为hkl,则：取（110）晶面内 110 晶向的横向为 0013:23 AM94 例2：计算（110）晶面内113:21 AM95设 110 与 001 晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1, l2、m2、n23:23 AM95设

34、 110 与 001 3:21 AM963:23 AM963:21 AM973、影响压阻系数的因素 扩散电阻的表面杂质浓度和温度。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS /cm-3P型Si(44)N型Si(-11)11或 44 / 10-11m2/NT=24压阻系数与表面杂质浓度NS的关系扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小3:23 AM973、影响压阻系数的因素 120140103:21 AM98解释：n：载流子浓度e：载流子所带电荷 ：载流子迁移率 ：电阻率Ns杂质原子数多载流子多 n杂质浓度Ns n在应力作用下的变化更小 / 3:23 AM98解

35、释：n：载流子浓度Ns杂质原子数多3:21 AM99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高时，温度增加压阻系数下降慢3:23 AM99表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快3:21 AM100解释：T载流子获得的动能运动乱 / Ns大， 变化较小 变化小Ns小， 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3:23 AM100解释：T载流子获得的动能运动乱3:21 AM101四、固态压阻器件1、固态压阻器件的结构原理1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 粘贴剂 硅底座 引压管 Si 保护膜 7 引线3:23 AM101四、固态压

36、阻器件1、固态压阻器件的结构原3:21 AM102 当硅单晶在任意晶向受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。力敏电阻受力情况示意图（a）001100010llttR3:23 AM102 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应3:21 AM103 在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向电阻和切向电阻，如图 (b)所示。扩散电阻的长边平行于膜片半径时为径向电阻Rr；垂直于膜片半径时为切向电阻Rt。当圆形硅膜片半径比P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： trlrttltRrRt

37、（b）3:23 AM103 在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向3:21 AM104 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： 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）。3:23 AM104 若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用3:21 AM105trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片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=0.635r时，r=0；x0，即为拉应力；x0.635r时，r0，即为压应力。x=0.812r时，t=0，仅有r存在

38、，且r0，即为压应力。00.513:23 AM105trrttr3P4rh23P3:21 AM106方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应 在001晶向的N型硅膜片上，沿110与110两晶向扩散四个P型电阻条xyz3:23 AM106方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压3:21 AM1071101103:23 AM1071101103:21 AM108 1、在110晶向：扩散两个径向P型电阻3:23 AM108 1、在110晶向：扩散两个径向3:21 AM1092、在110晶向：扩散两个切向P型电阻3:23 AM1092、在110晶向：扩散两个切向P型电3:21 AM110所以：3:2

39、3 AM110所以：3:21 AM111r电阻变化与r的关系：3:23 AM111r电阻变化与r的关系：3:21 AM112如：扩散在0.812r处，此时t=03:23 AM112如：扩散在0.812r处，此时t=03:21 AM113方案二：只利用纵向压阻效应 在110晶向的N型硅膜片上，沿110晶向在0.635r之内与之外各扩散两个P型电阻条，110的横向为001。110001R1R2R3R43:23 AM113方案二：只利用纵向压阻效应 在3:21 AM114110方向方向余弦：001方向方向余弦：3:23 AM114110方向方向余弦：001方向方3:21 AM115由于在0.635r

40、半径之内r为正值，在0.635r半径之外r负值，内、外电阻值的变化率应为即可组成差动电桥。式中 、 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:=于是有3:23 AM115由于在0.635r半径之内r为正值，在3:21 AM1161、恒压源供电 扩散电阻起始阻值都为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为Rt：R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4 五、测量桥路及温度补偿3:23 AM1161、恒压源供电R1+ R1R2 - 3:21 AM117电桥输出为：当Rt=0时：Rt0时，Uout=f(t)

41、是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。3:23 AM117电桥输出为：当Rt=0时：Rt0时3:21 AM1182、恒流源供电R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4ABCD3:23 AM1182、恒流源供电R1+ R1R2 - 3:21 AM119 可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，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，因此必须采取温度补偿措施。3:23 AM119 可见，电桥输出与电阻变化成正比，即3:21 AM1203. 零点温度补偿

42、零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图所示。其中，RS是串联电阻；RP是并联电阻。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： R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi3:23 AM1203. 零点温度补偿R2R4R1R3US3:21 AM121 由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，当温度升高时，R2的增加比较大，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，最简单的办法是在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

43、小B、D点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，如在R3上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行补偿，作用是一样的。R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi3:23 AM121 由于零点漂移，导致B、D3:21 AM122下面给出计算RS、RP的方法。 设R1、R2、R3、R4与R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，RS、RP与RS、RS分别为RS、RP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：设RS、RP的温度系数、为已知，则得计算出RS、RP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。3:

44、23 AM122下面给出计算RS、RP的方法。 根据3:21 AM1233、灵敏度温度漂移漂移的原因：压阻系数随温度变化引起温度T44 温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。3:23 AM1233、灵敏度温度漂移漂移的原因：压阻系数随3:21 AM124补偿方法：改变电源流电压的方法3:23 AM124补偿方法：改变电源流电压的方法3:21 AM125 因为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降约减小(1.92.5)mV。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，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压

45、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。 R4R2R1UoutR3方法2：串联正向二极管3:23 AM125 因为二极管PN结的温度特性为负值3:21 AM126压阻式传感器常用补偿方法硬件线路补偿软件补偿专用补偿芯片补偿 MCA7707是一种采用CMOS工艺的模拟传感信号处理器。它通常被应用于于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。3:23 AM126压阻式传感器常用补偿方法硬件线路补偿3:21 AM127压阻式传感器的特点灵敏度高: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:由于它是一种非机