壓阻式傳感器ppt課件

1、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 回固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)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)。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。它主要用于測量壓力、加速響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。度和載荷等參數(shù)。因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳因

2、為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。上一頁返 回下一頁金屬材料 半導(dǎo)體材料 lllEl 半導(dǎo)體電阻率 l為半導(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(12)RR (12)lRER對半導(dǎo)體材料而言，l E (1+)，故(1+)項可以忽略llERR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 ERRKl/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

3、頁返 回下一頁(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) 測量橋路及溫度補(bǔ)償上一頁返 回下一頁l1. 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) l2. 2. 測量電路測量電路 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l1-P型單晶硅條 l2-內(nèi)引線l3-焊接電極l4-外引線對于恒壓源電橋電路，考慮到環(huán)境溫度變化的影響，其關(guān)系式為：oTU RURRl恒壓源恒壓源l恒流源恒流源)/(0tRRRUURIU0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

4、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)境溫度的變化對其沒有影響。上一頁返 回下一頁壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖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：工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。 四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，四個電阻在應(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。輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力

5、差成正比。 四個電阻的配置位置：四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力和切向應(yīng)力t的分布情況確定。的分布情況確定。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。 上一頁返 回下一頁l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。l測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。測量準(zhǔn)確度受到非線性

6、和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 上一頁返 回下一頁l由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫由于制造、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。準(zhǔn)確性。l減少與補(bǔ)償誤差措施減少與補(bǔ)償誤差措施l 1. 測量電橋測量電橋 l 2. 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償零點(diǎn)溫度補(bǔ)償l 3. 靈敏度溫度補(bǔ)償靈敏度溫度補(bǔ)償上一頁返 回下一頁恒流源供電的全橋差動電路 假設(shè)RT為溫度引起的電阻變化 IIIADCABC21電橋的輸出為RIR

7、RRIRRRIUUTTBD)(21)(210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)，因此測量不受溫度的影響。上一頁返 回下一頁上一頁返 回UR1R2R4R3U0RsRpVD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 補(bǔ)償靈敏度漂移原理：補(bǔ)償靈敏度漂移原理： 溫度升高時，靈敏度降低，這時如果提溫度升高時，靈敏度降低，這時如果提高電源電壓，使電橋輸出適當(dāng)增大，便高電源電壓，使電橋輸出適當(dāng)增大，便可達(dá)到補(bǔ)償目的?？蛇_(dá)到補(bǔ)償目的

8、。 溫度升高時，二極管壓降降低，可使電溫度升高時，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)橋電源電壓提高，關(guān)鍵是適當(dāng)選擇串聯(lián)二極管的個數(shù)。二極管的個數(shù)。l1. 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器l2. 差頻壓阻式壓力傳感器差頻壓阻式壓力傳感器l3. 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器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，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 ,可分別用下式計算: rt220222023(1)(3)83(1)(1 3 )8rtPrrhPrrhl擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)就擴(kuò)散型壓阻式壓

9、力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)就是體積小、結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)相應(yīng)好，靈是體積小、結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)相應(yīng)好，靈敏度高，滯后、蠕變小，頻率相應(yīng)高，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)。性能穩(wěn)定，成本低，便于批量生產(chǎn)。 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： 62fRC壓力的變化 ：10( )ffff p l在實際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏在實際應(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)木蚝统龅男问健Ｒ簿褪窃谶x擇適當(dāng)?shù)木蚝蛿U(kuò)散電阻的位置，做成兩套相移振蕩器擴(kuò)散電阻的位置，做成兩套相移振蕩器并連接寬帶放大器