實驗二擴散硅壓阻式傳感器模塊d1

1、實驗二 擴散硅壓阻式壓力傳感器實驗模塊2.1 實驗目的：實驗 2.1.1 ：了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和方法。 工作原理：是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在 受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓 阻式傳感器用于壓力、 拉力、 壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹?（如液位、 加速度、 重量、應變、流量、真空度）的測量和控制。轉(zhuǎn)換原理： 在具有壓阻效應的半導體材料上用擴散或離子注入法， ，形成 4 個阻值相等的電阻條。 并將它們連接成惠斯通電橋，電橋電源端和輸出端引出，用制造集成電路的方法封裝起來， 制

2、成擴散硅壓阻式壓力傳感器。平時敏感芯片沒有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)， 當傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶?，給電橋加一個恒定電壓源，電橋?qū)⑤?出與壓力對應的電壓信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號輸出。壓阻效應 :當力作用于硅晶體時， 晶體的晶格產(chǎn)生變形 , 使載流子從一個能谷向另一個能谷散射 引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻 率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關(guān)。 硅的壓阻效應不同于金屬應變計（見電阻應變計），前者電阻隨壓力的變化主要取決 于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于

3、幾何尺寸的變化（應變），而且前者 的靈敏度比后者大50100倍。實驗 2.1.2 ：了解利用壓阻式壓力傳感器進行差壓測量的方法。2.2 實驗設備和元件：2.2.1 實驗設備：實驗臺所屬各分離單元和導線若干。2.2.2 其他設備： 2號擴散壓阻式壓力傳感器實驗模塊，1 4號交直流，全橋，測量，差動放大實驗模塊，數(shù)顯單元 20V,直流穩(wěn)壓源+5V, +_12V電源。2.3 實驗內(nèi)容：2.3.1 擴散壓阻式壓力傳感器一般介紹：單晶硅材料在受到外力作用產(chǎn)生極微小應變時（一般步于400 微應變），其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的電子能級狀態(tài)會發(fā)生變化，從而導致其電阻率劇烈變化（G 因子突變）。用此材料制成的電阻也就出現(xiàn)

4、極大變化，這種物理效應稱為 壓阻效應 。利用壓阻效應原理，采用集成工藝技 術(shù)經(jīng)過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特點晶向，制成應變電阻，構(gòu)成惠斯凳電橋，利用硅材 料的彈性力學特性，在同一切硅材料上進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉(zhuǎn) 換檢測于一體的擴散硅傳感器。給傳感器匹配一放大電路及相關(guān)部件，使之輸出一個標準信 號，就組成了一臺完整的變送器。變送器定義：一般意義上的壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標準的 電信號（如420mAD（等），以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進行

5、測量、指示 和過程調(diào)節(jié)。原理：被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對 應于這一壓力的標準測量。變送器型號：擴散硅壓阻式變送器有多種多樣的，比如：ATE308系列擴散硅壓力變送器，KK228壓力變送器，ST208、308系列擴散硅壓力變送器等等。以下是詳細介紹：（1）ATE308系列擴散硅壓力變送器：采用具有國際先進技術(shù)進口陶瓷傳感器，再配以高精密電子元件，經(jīng)嚴格要求的工藝過程裝配而成。ATE系列308系列壓力變送器與目前使用的常規(guī)壓力變送器相比，有兩個顯著不同的技術(shù)差別：一

6、是測量元件采用新興的高精密陶瓷材料；二是測量元件內(nèi)無中介液體，是完全 固體的。HAKK-338系列壓力變送器主要特點抗過載和抗沖擊能力強，過壓可達量程的數(shù)倍，甚至用硬物直接敲打測量元件也不致使 其損壞，且對測量精度毫無影響；穩(wěn)定性高，每年優(yōu)于 0.1%滿量程，這個技術(shù)指標已達到智能型壓力儀表水平；溫度漂移小，由于取消了壓力測量元件中的中介液，因而傳感器不僅獲得了很高的測量精度，且受溫度梯度影響極小。（2）ST208、308系列擴散硅壓力變送器ZR208 308系列擴散硅壓力變送器具有工作可靠、性能穩(wěn)定、安裝使用方便、體積小、 重量輕、性能價格比高等點，能在各種正負壓力測量中得到廣泛應用。擴散硅

7、壓力變送器采 用進口擴散硅或陶瓷芯體作為壓力檢測元件，傳感器信號經(jīng)高性能電子放大器轉(zhuǎn)換成0-10mA或4-20mA統(tǒng)一輸出信號。壓力變送器可替代傳統(tǒng)的遠傳壓力表，霍爾元件、差動變送器，并具有DDZ-H及DDZ-m型變送器性能。擴散硅壓力變送器能與各種型號的動圈式指示儀、數(shù)字壓力表、電子電位差計配套使用，也能與各種自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)配套使用。主要技術(shù)指標：準確度0.1%F- S 0.25%F S 0.5%F S測量范圍-95KPa35MPa間任選測量介質(zhì)液體、氣體、蒸汽存貯溫度-40 C 125C使用溫度-10 C 80C防腐材料316L不銹鋼陶瓷 聚四氟乙烯溫度影響 負載電阻 過載能力

8、機械保護 濕度 輸出關(guān)聯(lián)設備重量零點溫度系 數(shù)滿程溫度系 數(shù)電源電壓 防爆等級 安裝位置<0.02%/ C< 750 Q量程的12倍IP65< 95%RH二線制 420mA DCEXZ231B型安全柵<1Kg小于 0.02%/ C小于 0.02%/ C24V DCia n CT5無影響使用方法：傳感器、變送器的選擇，選項型提要：1、 變送器要測量什么樣的壓力：用戶根據(jù)自己所測壓力的性質(zhì)即先確定系統(tǒng)中要確認測量壓力的最大值，一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在許多系統(tǒng)中，尤其是水壓測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下 波

9、動，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，持續(xù)的高壓力值或稍微超出變送器的標定最大值 會縮短傳感器的壽命，然而，由于這樣做會精度下降。于是，可以用一個緩沖器來降低壓力 毛刺，但這樣會降低傳感器的響應速度。所以在選擇變送器時，要充分考慮壓力范圍，精度 與其穩(wěn)定性。2、 什么樣的壓力介質(zhì)：我們要考慮的是壓力變送器所測量的介質(zhì)，黏性液體、泥漿會堵 上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質(zhì)會不會破壞變送呂中與這些介質(zhì)直接接觸的材料。以上這些因素將決定是否選擇直接的隔離膜及直接與介質(zhì)接觸的材料。一般的壓力變送器的接觸 介質(zhì)部分的材質(zhì)采用的是316不銹鋼，如果你的介質(zhì)對 316不銹鋼沒有腐蝕性，那么基本上所有的壓力變送

10、器都適合你對介質(zhì)壓力的測量.如果你的介質(zhì)對316不銹鋼有腐蝕性，那么我們就要采用化學密封，這樣不但起到可以測量介質(zhì)的壓力，也可以有效的阻止介質(zhì)與壓力變送器 的接液部分的接觸，從而起到保護壓力變送器，延長了壓力變送器的壽命.3、 變送器需要多大的精度：決定精度的有，非線性，遲滯性，機電商務網(wǎng)非重復性， 溫度、零點偏置刻度，溫度的影響。但主要由非線性，遲滯性，非重復性，精度越高，價格也就越高。每一種電子式的測量計都會有精度誤差的，但是由于各個國家所標的精度等級是不一樣的，比如，中國和美國等國家標的精度是傳感器在線性度最好的部分，也就是我們通常所說的測量范圍的 10%到 90%之間的精度；而歐洲標的

11、精度則是線性度最不好的部分，也就是我們通常所說的測量反的 0到10%及90%到 100%之間的精度.如歐洲標的精度為 1%,則在中國 標的精度就為0.5%.4、 變送器的溫度范圍： 通常一個變送器會標定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償?shù)姆秶?。正常操作溫度范圍是指變送器在工作狀態(tài)下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補范圍時，可能會達不到其應用的性能指標。溫度補償范圍是一個比操作溫度范圍小的典型范圍。在這個范圍內(nèi)工作，變送器肯定會達到其應有的性能指標。溫度變 從兩方面影響著其輸出，一是零點漂移；二是影響滿量程輸出。如：滿量程的+/-X%/ C，讀數(shù)的+/-X%/C，在超出溫度范圍時

12、滿量程的+/-X%，在溫度補償范圍內(nèi)時讀數(shù)的+/-X%，如果沒有這些參數(shù)，會導至在使用中的不確定性。變送器輸出的變化到度是由壓力變化引起的， 還是由溫度變化引起的。溫度影響是了解如何使用變送器時最復雜的一部分。5、 需要得到怎樣的輸出信號：mV、V、mA及頻率輸出數(shù)字輸出，選擇怎樣的輸出取 決于多種因素，包括變送器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“噪聲”或其他電子干擾信號。是否需要放大器，放大器的位置等。對于許多變送器和控制器間距離較短的OEM設備，采用mA輸出的變送器最為經(jīng)濟而有效的解決方法，如果需要將輸出信號放大，最好采用具有內(nèi)置放大的變送器。對于遠距離傳輸出或存在較強的電子干擾信號

13、，最好采用mA級輸出或頻率輸出。如果在RFI或EMI指標很高的環(huán)境中，除了要注意到要選擇 mA或頻率輸出外， 還要考慮到特殊的保護或過濾器。（目前由于各種采集的需要，現(xiàn)在市場上壓力變送器的輸出信號有很多種，主要有4.20mA,0.20mA,0.10V,0.5V等等，但是比較常用的是4.20mA和0.10V兩種，在我上面舉的這些輸出信號中，只有4.20mA為兩線制，我們所說的輸出為幾線制不包含接地或屏蔽線，其他的均為三線制）6、 選擇怎樣的勵磁電壓： 輸出信號的類型決定選擇怎么樣的勵磁電壓。許多放大變送器 有內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)裝置，因此其電源電壓范圍較大。有些變送器是定量配置，需要一個穩(wěn)定的工作電壓

14、，因此，能夠得到的一個工作電壓決定是否采用帶有調(diào)節(jié)器的傳感器，選擇傳送 器時要綜合考慮工作電壓與系統(tǒng)造價。7、 是否需要具備互換性的變送器：確定所需的變送器是否能夠適應多個使用系統(tǒng)。一般來講，這一點很重要。尤其是對于OEM產(chǎn)品。一旦將產(chǎn)品送到客戶手中，那么客戶用來校準的花銷是相當大的。如果產(chǎn)品具有良好的互換性，那么即使是改變所用的變送器，也不會影響整個系統(tǒng)的效果。應注意如下幾種使用情況：1、被壓力系統(tǒng)瞬時出現(xiàn)較大過載壓力。2、用活塞壓力計標定時，活塞故障卡死未發(fā)現(xiàn)，導致壓力沖開時高過載沖擊敏感膜。3、 由于恒流電源對擴散硅傳感器的自補償功能，原則上推薦采用恒流源供電，我公司也可以提供恒流傳感一

15、體化產(chǎn)品，如測量溫度系數(shù)要求不高，條件不允許，也可使用恒壓源。4、 擴散硅傳感器零位輸出不能直接采用單臂聯(lián)電阻法進行消除，可采用軟件歸零法、差 動輸入修整法、T型電阻網(wǎng)絡修正等。性價比：發(fā)展狀況1954年C.S.史密斯詳細研究了硅的壓阻效應，從此開始用硅制造壓力傳感器。早期的 硅壓力傳感器是半導體應變計式的。后來在N型硅片上定域擴散P型雜質(zhì)形成電阻條，并接成電橋，制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。采用這種 芯片作為敏感元件的傳感器稱為擴散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結(jié) 構(gòu)，因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動態(tài)測量以及難于小型化和集成化、 精度不高等缺點

16、。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷，而且能將電阻條、補償電路和 信號調(diào)整電路集成在一塊硅片上，甚至將微型處理器與傳感器集成在一起，制成智能 傳感器（見單片微型計算機）。這種新型傳感器的優(yōu)點是：頻率響應高（例如有的產(chǎn)品固有頻率達 1.5兆赫以上）,適于動態(tài)測量；體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達0.25毫米），適于微型化；精度高，可達0.10.01% :靈敏高，比金屬應變計高出很多倍，有些應用場合可不加放大器；無活動部件，可靠性高，能工作于振動、沖擊、 腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。其缺點是溫度影響較大（有時需進行溫度補償）、工藝較

17、復雜和造價高等。壓阻式傳感器的應用：廣泛用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù),對靜態(tài)和動態(tài)壓力 ：局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理 想的傳感器。例如，用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用 專門設計的硅壓力傳感器，其工作溫度達 500 C以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進

18、口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫，非線性和滯后均為全量程的土0.22%。在生物醫(yī)學方面 ,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到10微米，外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。圖3是一種用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應用于爆炸_壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛 內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都 廣泛應用壓阻式傳感器。隨著微電子技

19、術(shù)和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應 用還將迅速發(fā)展。設計方面：汽車車用壓力傳感器、氣壓計、醫(yī)療設備、風力控制、空氣流量計、呼吸器和通 風機等等。2.3.2、單獨畫出放大電路原理圖（1）儀表放大器（即數(shù)據(jù)放大器）電路的構(gòu)成及原理X 儀器放大器圖：儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如上圖所示。它主要由兩級差分放大器電路構(gòu)成。其中，運放 C1, C2為同相差分輸入方式，同向輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減 小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸 入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比(即共模抑制比CMRR得到提高。這樣在以運放IC3為核心部

20、件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4, Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R仁R2, R3=R4,Rf=R5的條件下，圖 1電路的增益為：G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實現(xiàn)。放大倍數(shù)：儀器放大器的放大倍數(shù)用示波器測量得：放大倍數(shù)=Uo/Ui=4000mV/160mV=25共模抑制比：為了說明差分放大電路抑制共模信號的能力，常用共模抑制比作為一項技術(shù)指標來衡量，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Aud與對共模信號的電壓放大倍數(shù) Auc之比，

21、稱為共模抑制比，英文全稱是 Common Mode Rejectio n Ratio ，因此一般用簡寫 CMRR表示。差模信號電壓放大倍數(shù) Aud越大，共模信號電壓放大倍數(shù) Auc越小，則CMR越大。此時 差分放大電路抑制共模信號的能力越強，放大器的性能越好。當差動放大電路完全對稱時， 共模信號電壓放大倍數(shù) Auc=0,則共模抑制比 CMRfR，這是理想情況，實際上電路完全對 稱是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無窮大差分放大器影響共模抑制比的因素(1)電路對稱性電路的對稱性決定了被放大后的信號殘存共模干擾的幅度，電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號(干擾)的能力也就越差。(2)電

22、路本身的線性工作范圍一一實際的電路其線性范圍不是無限大的，當共模信號超出了電路線性范圍時，即使正常信號也不能被正常放大，更談不上共模抑制能力。實際電路的線性工作范圍都小于其工作電壓，這也就是為什么對共模抑制要求較高的設備前端電路也采 用較高工作電壓的原因。當壓力物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電量時，獲得的信號電壓變化量很小，而共模電壓卻很 高。當電壓不發(fā)生變化時，電橋四個臂的電阻相等，沒有輸出信號。當壓力發(fā)生變化時，應 變片的電阻（傳感元件）阻值變化，破壞了電橋的平衡，于是有一個信號送到放大電路的輸 入端。一般經(jīng)典值為當電源電壓 V=10V電橋輸出的差動信號最大約 30mV.a b兩端的共模電壓高達

23、5V,所以傳感器后面的數(shù)據(jù)放大器必須有很高的共模抑制比,同時要求有較高的輸出電阻，以免對傳感器產(chǎn)出影響為了提高精度，數(shù)據(jù)放大電路還應具有 較高的開環(huán)增益，較低的失調(diào)電壓，失調(diào)電流，噪聲以及漂移等等。四臂電橋相對于擴散硅壓力 2號模塊中的一個變送器，有關(guān)變送器的相關(guān)內(nèi)容介紹: 壓力變送器，壓力傳感器的工作原理：把壓力信號傳到電子設備， 進而在計算機顯示壓力。 將水壓這種壓力的力學信號轉(zhuǎn)變成電流（4-20mA）這樣的電子信號 。壓力和電壓或電流 大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系c所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大 。由此得出一個壓力和電壓或電流的關(guān)系式。壓力變送器的被測介質(zhì)的兩種壓力通入高

24、、低兩壓力室，低壓室壓力采用大氣壓或真空，作用在3元件（即敏感元件）的兩側(cè)隔離膜片上，通過 隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片 兩側(cè)。壓力變送器是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩 和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。這是擴散硅壓阻傳感器的主要結(jié)構(gòu)，通過針孔產(chǎn)生一個壓力使變送器產(chǎn)生壓阻效應，通過數(shù) 據(jù)放大器和驅(qū)動放大器，把已經(jīng)放大的數(shù)據(jù)輸出。2.4實驗結(jié)果與討論241、詳細記錄實驗結(jié)果。P1( Kpa)102030405060708090100Vo2(V)1.913.294.565.

25、756.867.948.779.809.849.84 V1.911.381.271.191.111.080.831.030.040P1( Kpa)102030405060708090100Vo2(V)-0.60-1.94-3.20-4.56-5.30-6.45-7.32-8.04-8.83-9.57 V-0.60-1.34-1.26-1.36-0.74-1.15-0.87-0.72-0.79-0.74242、寫出系統(tǒng)誤差的存在形式，說明減小辦法。（1）儀器誤差：P1,P2收到氣管漏氣的關(guān)系，所以應該要求氣管一下子達到一個很大 的一個電壓值，然后是它慢慢漏氣以達到我們想要的氣壓值。（2）人身誤差：調(diào)節(jié)儀器，和讀數(shù)時可能出現(xiàn)誤差（3）溫度影響：硅壓力傳感器芯片的性能受溫度的影響非常大，主要表現(xiàn)為零點和靈 敏度隨溫度變化而發(fā)生漂移，產(chǎn)生漂移的根本原因在：在工藝制作中，組成惠斯登電橋 的四個電阻條的表面摻雜濃度和擴散電阻條寬度不可能完全一致，致使四個電阻的阻值不完全相等，溫度系數(shù)不相等，導致當輸入壓力為0時，電橋輸出不為 0,同時該輸出隨溫度的變化而發(fā)生漂移，即零點溫度漂移；半導體的溫度特性導致壓阻系數(shù)隨溫度變 化，導致壓力靈敏也隨溫度發(fā)生漂移