擴散硅壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗

1、實驗十一 擴散硅壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗一、實驗目的：了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理與方法。二、實驗儀器壓力傳感器模塊、溫度傳感器模塊、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源+5V、±15V。三、實驗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，摩托羅拉公司設計出X形硅壓力傳感器如下圖所示：在單晶硅膜片表面形成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，制成擴散硅壓阻式壓力傳感器。擴散硅壓力傳感器的工作原理：在X形硅壓力傳感器的一個方向上加偏置電壓形成電流，當敏感芯片沒有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，當有剪切力作用時

2、，在垂直電流方向?qū)a(chǎn)生電場變化，該電場的變化引起電位變化，則在端可得到被與電流垂直方向的兩測壓力引起的輸出電壓Uo。 （11-1）式中d為元件兩端距離。實驗接線圖如圖11-2所示，MPX10有4個引出腳，1腳接地、2腳為Uo+、3腳接+5V電源、4腳為Uo-；當P1>P2時，輸出為正；P1<P2時，輸出為負。圖11-1 擴散硅壓力傳感器原理圖四、實驗內(nèi)容與步驟1接入+5V、±15V直流穩(wěn)壓電源，模塊輸出端Vo2接控制臺上數(shù)顯直流電壓表，選擇20V檔，打開實驗臺總電源。4調(diào)節(jié)Rw2到適當位置并保持不動，用導線將差動放大器的輸入端Ui短路，然后調(diào)節(jié)Rw3使直流電壓表200m

3、V檔顯示為零，取下短路導線。5氣室1、2的兩個活塞退回到刻度“17”的小孔后，使兩個氣室的壓力相對大氣壓均為0，氣壓計指在“零”刻度處，將MPX10的輸出接到差動放大器的輸入端Ui，調(diào)節(jié)Rw1使直流電壓表200mv檔顯示為零。6保持負壓力輸入P2壓力零不變，增大正壓力輸入P1的壓力到0.01MPa，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力達到0.095Mpa；填入下表1。7保持正壓力輸入P1壓力0.095Mpa不變，增大負壓力輸入P2的壓力，從0.01MPa每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力達到0.095Mpa；填入下表2。8保持負壓力輸入P2

4、壓力0.095Mpa不變，減小正壓力輸入P1的壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力為0.005Mpa；填入下表3。9保持負壓力輸入P1壓力0Mpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力為0.005Mpa；填入下表。10實驗結束后，關閉實驗臺電源，整理好實驗設備。五、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析1、保持負壓力輸入P2壓力零不變，增大正壓力輸入P1的壓力P1(kP) 0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2（V）1.6082.283.023.544.224.895.4

5、56.076.63P1(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.095Uo2(V)7.057.798.218.739.259.6210.0310.5811.04（表1） 用matlab繪制P1-Uo2曲線圖如下圖所示2、保持正壓力輸入P1壓力0.095Mpa不變，增大負壓力輸入P2的壓力P2(kP) 0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2（V）10.149.769.328.828.367.857.416.796.23P2(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800

6、.0850.0900.095Uo2（V）5.725.084.593.853.262.561.681.120.32（表2）用matlab繪制P2-Uo2曲線圖如下圖所示3、保持負壓力輸入P2壓力0.095Mpa不變，減小正壓力輸入P1的壓力P1(kP) 0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050Uo2（V）-0.67-1.33-1.95-2.57-3.13-3.67-3.95-4.51-5.13P1(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005Uo2（V）-5.57-6.01-6.27-6.70-

7、7.18-7.52-7.90-8.22-8.55（表3）用matlab繪制P1-Uo2曲線圖如下圖所示4、保持負壓力輸入P1壓力0Mpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力P2(kP) 0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050Uo2（V）-8.05-7.71-7.30-6.92-6.50-6.11-5.70-5.34-4.89P2(kP) 0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005Uo2（V）-4.39-3.92-3.42-2.86-2.30-1.65-1.07-0.400.29（表4）用matlab繪

8、制的P2-Uo2曲線圖如下圖所示5、靈敏度及非線性誤差計算線性擬合直線的斜率即為所求的靈敏度，故對上面的曲線圖依次進行線性擬合，如下圖所示（紅色為擬合直線），并由此算出其靈敏度和非線性誤差。靈敏度L=U/P=擬合直線斜率 非線性誤差f=m/yF.S ×100（m為輸出值與擬合直線的最大偏差，yF·S為滿量程輸出平均值） （1）y = p1*x + p2 p1 = 110.3 p2 = 0.87657 由圖讀出m=0.392 故 靈敏度SL=U/P=p1=110.3v/kp 非線性誤差f =(0.392/11.4) ×100=3.5%(2) y = p1*x + p2 p1 = -115.24 p2 = 11.765 由圖讀出m=0.65故 靈敏度L=U/P=p1=-115.24 v/kp 非線性誤差f =(0.65/10.72) ×100=6.1%（3）y = p1*x + p2 p1 = 91.498 p2 = -9.3923 由圖讀出m=0.45故 靈敏度LU/P =p1=91.498v/kp 非線性誤差f=(0.45/8.87) ×100=5.1%（4）y = p1*x + p2 p1 = -96.409 p2 = 0.23275 由圖讀出