壓阻式傳感器.ppt

1、,第二節(jié) 壓阻式傳感器,7.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 7.2.2 壓阻式壓力傳感器原理和電路 (1) 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 (2) 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器 (3) 測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償 7.2.3 壓阻式傳感器的應(yīng)用,下一頁,返 回,7.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng),固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。 壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。,上一頁,返 回,下一頁,壓阻效應(yīng),金屬材料 半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體電阻率,l為

2、半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向 與晶軸方向之間的夾角有關(guān)； E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。,上一頁,返 回,下一頁,對(duì)半導(dǎo)體材料而言，l E (1+)，故(1+)項(xiàng)可以忽略,半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的， 而電阻率的變化是由應(yīng)變引起的,半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示,半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小,上一頁,返 回,下一頁,7.2.2 壓阻式壓力傳感器原理和電路,(1) 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 (2) 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器 (3) 測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償,上一頁,返 回,下一頁,（1）體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)

3、2. 測(cè)量電路,1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn),主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多,上一頁,返 回,下一頁,體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式,1-P型單晶硅條 2-內(nèi)引線 3-焊接電極 4-外引線,對(duì)于恒壓源電橋電路，考慮到環(huán)境溫度變化的 影響，其關(guān)系式為：,2. 測(cè)量電路,恒壓源 恒流源,電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。R為應(yīng)變片阻值， R為應(yīng)變片阻值變化， Rt為環(huán)境溫度變化受環(huán)境溫度引起阻值的變化,電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒有影響。,上一頁,返 回,下一頁,（2） 擴(kuò)散型壓阻式

4、壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片,采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件， 在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜,上一頁,返 回,下一頁,工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。 四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 四個(gè)電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。,設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動(dòng)電橋。,上一頁,返 回,下一頁,擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器 特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn): 體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)期

5、穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。 測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。,上一頁,返 回,下一頁,（3） 測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償,由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。 減少與補(bǔ)償誤差措施 1. 測(cè)量電橋 2. 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償 3. 靈敏度溫度補(bǔ)償,上一頁,返 回,下一頁,1. 測(cè)量電橋,恒流源供電的全橋差動(dòng)電路,假設(shè)RT為溫度引起的電阻變化,電橋的輸出為,電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比， 但與溫度無關(guān)，因此測(cè)量不受溫度的影響。,上一頁,返 回,

6、下一頁,2.溫度漂移及其補(bǔ)償,上一頁,返 回,U,R1,R2,R4,R3,U0,Rs,Rp,VD,溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移,零 漂 擴(kuò)散電阻值隨溫度變化 靈敏度漂移 壓阻系數(shù)隨溫度變化,零 位 溫 漂 串、并聯(lián)電阻 靈敏度溫漂 串聯(lián)二極管,串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用 并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用,3 . 靈敏度溫度補(bǔ)償,補(bǔ)償靈敏度漂移原理： 溫度升高時(shí)，靈敏度降低，這時(shí)如果提高電源電壓，使電橋輸出適當(dāng)增大，便可達(dá)到補(bǔ)償目的。 溫度升高時(shí)，二極管壓降降低，可使電橋電源電壓提高，關(guān)鍵是適當(dāng)選擇串聯(lián)二極管的個(gè)數(shù)。,7.2.3 壓阻式傳感器的應(yīng)用,1. 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器 2. 差頻壓阻式壓力

7、傳感器 3. 壓阻式加速度傳感器,1. 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器,1-低壓腔 2-高壓腔 3-硅杯 4-引線 5-硅膜片,在膜片位移量遠(yuǎn)小于膜片的厚度時(shí)，受均勻壓力的圓形硅膜 片上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力 和切向應(yīng)力 ,可分別用下式計(jì)算:,優(yōu)點(diǎn)：,擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)就是體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)相應(yīng)好，靈敏度高，滯后、蠕變小，頻率相應(yīng)高，性能穩(wěn)定，成本低，便于批量生產(chǎn)。,2.差頻壓阻式壓力傳感器,差頻壓阻式壓力傳感器工作原理圖,（a）分布阻容網(wǎng)絡(luò)； （b）相移振蕩器； （c）差頻振蕩壓阻 式壓力傳感器組合,獨(dú)立的相移正弦振蕩器振蕩頻率為：,壓力的變化 ：,在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度和克服零點(diǎn)漂移，一般都采用差頻輸出的形式。也就是在選擇適當(dāng)?shù)?/p>