應(yīng)變片的類型及其工作原理

1、應(yīng)變片的類型及其工作原理半導(dǎo)體應(yīng)變片1、電阻應(yīng)變片的分類及其工作原理電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀 應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和 劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化 時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從 而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻 值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù) 的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和 CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2、金屬電阻應(yīng)變片2、1金屬電阻應(yīng)變片的分類及其結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片分為 絲式

2、、箔式，薄膜式三種。金屬絲電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)見圖。 它主要由粘合層1 3,基底2、蓋片4,敏感柵5,引出線6構(gòu)成。圖2、1-2金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金 屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金 屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試 件應(yīng)變性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片， 其結(jié)構(gòu)見下圖。2、2薄膜式應(yīng)變片薄膜式應(yīng)變片的敏感柵是以蒸鍍或?yàn)R射法 沉積的金屬、合金薄膜制成的。其厚度一般在0、lum以下。實(shí) 際上，通常是將薄膜式應(yīng)變片與傳感器的彈性體制成一個不可分 割的整體，亦即在傳感器彈性體的應(yīng)變敏感部位表面上首先沉積

3、 形成很薄的絕緣層，然后在其上面沉積薄膜應(yīng)變片的圖形，然后 再覆上一層保護(hù)層。由于薄膜式應(yīng)變片與傳感器的彈性體之間只 有一層超薄絕緣層（厚度僅為幾個納米），很容易通過彈性體散 熱，因此允許通過比其他種類應(yīng)變片更大的電流，并可以獲得更 高的輸出和更佳的穩(wěn)定性。應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變片的外形1、電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變式力傳感器的核心是電阻應(yīng)變 片。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下伸長或縮短時，它的電阻 值會相應(yīng)的發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 將應(yīng)變片貼在被測物體上，使其隨著被測物的應(yīng)變一起伸 縮，這樣應(yīng)變片里面的金屬材料就隨著外界的應(yīng)變變長或縮短， 其阻值也就會相應(yīng)的變化。 應(yīng)變片就是利用應(yīng)

4、變效應(yīng)，通過測量電阻的變化而對應(yīng)變 進(jìn)行測量的。2、3金屬電阻應(yīng)變片工作原理簡介金屬電阻應(yīng)變片的工作原 理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲在受到應(yīng)力作用時，其電阻隨著所 發(fā)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變 效應(yīng)的理論公式如下：由上式可知，金屬絲在承受應(yīng)力而發(fā)生機(jī) 械變形的過程中，P、L、S三者都要發(fā)生變化，從而必然會引起 金屬絲電阻值的變化。當(dāng)受外力伸張時，長度增加，截面積減 小，電阻值增加；當(dāng)受壓力縮短時，長度減小，截面積增大，電阻 值減小。因此，只要能測出電阻值的變化，便可金屬絲的應(yīng)變情 況。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為式中：R-金屬絲電阻值的變化量;心一-金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它主要

5、由試驗(yàn)方法確定，且在彈性極限 內(nèi)基本為常數(shù)值；£-金屬材料的軸向應(yīng)變值，即，因此又稱£ 為長度應(yīng)變值，對金屬絲而言，其值勤在0、240. 4之間、在實(shí) 際應(yīng)用中，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測饑械 零件的表面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測機(jī)械零件受作用力產(chǎn) 生應(yīng)變時，粘貼在其上的應(yīng)變片也隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形，引 起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。這時，電阻應(yīng)變片便將力學(xué)量轉(zhuǎn) 換為電阻的變化量輸出。2、4金屬電阻應(yīng)變片電橋電路圖金屬電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)測量時，需要和電橋電路一起使 用；由于應(yīng)變片電橋電路的輸出信號微弱，采用直流放大器又容易 產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，故多采用交流

6、放大器對信號進(jìn)行放大處理， 所以應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電供電，組成交流電橋。根 據(jù)讀數(shù)方法的不同，電橋又分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。平 衡電橋僅適合測量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋則適合測量動態(tài)參 數(shù)。由于直流電橋和交流電橋在工作原埋上相似，為了方便起 見，下面僅就直流不平衡電橋進(jìn)行介紹。圖所示電路是輸出端接 放大器的直流不平衡電橋的電路。第一橋臂接電阻應(yīng)變片R1,其 他三個橋臂接固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片R1末發(fā)生應(yīng)變時，由于沒有阻 值變化，電橋維持初始平衡條件的R1、 R4=R2、R3,因而輸出為零，即 UOUT=A(Rh R4 - R2、R3)=0當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變時，應(yīng)變片產(chǎn)生口的電阻變化，電

7、橋處 于不平衡狀態(tài)，此時假設(shè)，并考慮到電橋初始平衡條件，省略去分母中的微量， 則上式可寫成為從式中可以看出，輸出電壓正比于應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時產(chǎn)生的電阻變化量們。3、半導(dǎo)體應(yīng)變片3、1半導(dǎo)體應(yīng)變片的定義及其應(yīng)用利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻 效應(yīng)制成的一種敏感元件，又稱半導(dǎo)體應(yīng)變片。壓阻效應(yīng)是半導(dǎo) 體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時材料的電阻率發(fā)生變化的 現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測量試件應(yīng)變或粘貼在彈 性敏感元件上間接地感受被測外力。利用不同構(gòu)形的彈性敏感元 件可測量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、加速度等機(jī)械 量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高（約高 50100倍）、機(jī)械滯后小

8、、體積小、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。P型和N型 硅的靈敏系數(shù)符號相反，適于接成電橋的相鄰兩臂測量同一應(yīng) 力。早期的半導(dǎo)體應(yīng)變片采用機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕等方法制成， 稱為體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。它的缺點(diǎn)是電阻和靈敏系數(shù)的溫度系數(shù) 大、非線性大和分散性大等。這曾限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。自70 年代以來，隨著半導(dǎo)體集成電路工藝的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)擴(kuò)散 型、外延型和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片，上述缺點(diǎn)得到一定克服。半 導(dǎo)體應(yīng)變片主要應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、車輛、船舶、機(jī)床、橋梁等 各種設(shè)備的機(jī)械量測量。3、2半導(dǎo)體應(yīng)變片分類3、2、1體型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種半導(dǎo)體應(yīng)變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引 線，最后粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的

9、襯底上制成的。體型半 導(dǎo)體應(yīng)變片可分為6種。普通型：它適合于一般應(yīng)力測量；溫度自動補(bǔ)償型：它能使溫度引起的導(dǎo)致應(yīng)變電阻變化的 各種因素自動抵消，只適用于特定的試件材料；靈敏度補(bǔ)償 型：通過選擇適當(dāng)?shù)囊r底材料（例如不銹鋼），并采用穩(wěn)流電 路，使溫度引起的靈敏度變化極??；高輸出（高電阻）型：它的阻值很高（210千歐），可接 成電橋以高電壓供電而獲得高輸出電壓，因而可不經(jīng)放大而直接 接入指示儀表。超線性型：它在比較寬的應(yīng)力范圍內(nèi)，呈現(xiàn)較寬的應(yīng)變線性 區(qū)域，適用于大應(yīng)變范圍的場合；©P-N組合溫度補(bǔ)償型：它選用配對的P型和N型兩種轉(zhuǎn)換元 件作為電橋的相鄰兩臂，從而使溫度特性和非線性特性有較大

10、改 善。3、2、2薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的（圖1）。它通過改變真空沉積時襯底的溫度來控制沉積層電阻率的高低，從 而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不同試件 材料的溫度自補(bǔ)償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬 應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理 想的應(yīng)變片。3、2、3擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個高電阻N型硅基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成（圖2）。它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，機(jī) 械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般體型半導(dǎo)體應(yīng)變片小一 個數(shù)量級。缺點(diǎn)是由于存在P-N結(jié)，當(dāng)溫度升高時，絕緣電阻大為 下降。新型固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用 擴(kuò)散法制成的。3、2、4外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是在多晶硅或藍(lán)寶石的襯底上外延一層單晶硅而 制成的。它的優(yōu)點(diǎn)是取消了 P-N結(jié)隔離，使工作溫度大為提高（可 達(dá)300以上