生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器課件

1、6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器16:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器2 基本工作原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。 包括包括電位器式、電位器式、壓阻式、壓阻式、熱阻式、熱阻式、應(yīng)變式應(yīng)變式等。等。學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn): : 1. 電位器式傳感器：線性電位器和非線性電位器 2. 應(yīng)變式傳感器：應(yīng)變效應(yīng)、電橋測(cè)量電路和溫度補(bǔ)償原理 3. 壓阻式傳感器：壓阻效應(yīng)、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器3第一節(jié)第一節(jié) 電位器式傳感器電位器式傳感器 電位器是一種常用的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電位器是一種常用的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電器

2、和電子設(shè)備中。它主要是一種電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來(lái)來(lái)使用。使用。| 特點(diǎn)特點(diǎn): : 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間性能穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。容易磨損。| 應(yīng)用應(yīng)用: : 主要用于測(cè)量位移、角位移，還可以測(cè)量能轉(zhuǎn)換為位主要用于測(cè)量位移、角位移，還可以測(cè)量能轉(zhuǎn)換為位移的其它非電量如壓力、高度、加

3、速度等各種參數(shù)。移的其它非電量如壓力、高度、加速度等各種參數(shù)。 | 分類(lèi)分類(lèi): : 按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式線繞式、薄膜式、光電式等；按輸入等；按輸入- -輸出特性的不同，可分為輸出特性的不同，可分為線性電位器和非線性電線性電位器和非線性電位器位器。目前常用的以。目前常用的以單圈線繞電位器單圈線繞電位器居多。居多。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器4 常用電位器式傳感器有:直線位移型、角位移型、非線性型。左圖為典型的電位器式傳感左圖為典型的電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)原理。它由電阻元件器的結(jié)構(gòu)原理。它由電阻元件（包括（包括骨架和金屬電阻絲骨架和金屬電阻絲

4、）和）和電刷（電刷（活動(dòng)觸點(diǎn)活動(dòng)觸點(diǎn)）兩個(gè)基本部）兩個(gè)基本部分組成。分組成。由圖可見(jiàn)，當(dāng)有機(jī)械位移時(shí)，由圖可見(jiàn)，當(dāng)有機(jī)械位移時(shí)，電位器的動(dòng)觸點(diǎn)產(chǎn)生位移，而電位器的動(dòng)觸點(diǎn)產(chǎn)生位移，而改變了動(dòng)觸點(diǎn)相對(duì)于電位參考改變了動(dòng)觸點(diǎn)相對(duì)于電位參考點(diǎn)（點(diǎn)（A點(diǎn)）的電阻點(diǎn)）的電阻 ，從而實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了非電量（位移）到電量現(xiàn)了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉(zhuǎn)換。（電阻值或電壓幅值）的轉(zhuǎn)換。 電位器式傳感器有電位器式傳感器有線性線性和和非非線性線性電位器式傳感器兩大類(lèi)。電位器式傳感器兩大類(lèi)。xR1.1 1.1 電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器5圖3-1 電位器

5、式傳感器原理圖a）直線位移式 b）轉(zhuǎn)角位移式1金屬電阻絲 2骨架 3電刷6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器6電位器式傳感器結(jié)構(gòu)形式電位器式傳感器結(jié)構(gòu)形式 電位器式傳感器分類(lèi)滑線式半導(dǎo)體式骨架式分段電阻式液體觸點(diǎn)式 電位器式傳感器結(jié)構(gòu) 如右圖所示。 6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器71.2 1.2 線性電位器式傳感器線性電位器式傳感器 線性電位器式傳感器的理想空載（負(fù)載電阻）特性曲線應(yīng)具有嚴(yán)格的直線性關(guān)系。圖3-2是線性電位器式傳感器原理圖。由圖可見(jiàn)，線性電位器式傳感器的骨架截面處處相等，由材料均勻的金屬電阻絲按相等截距繞制成電阻元件，因此其最大電阻值為： 式中， 為導(dǎo)線的電阻率； 為導(dǎo)線

6、的截面積； 和 分別為骨架的寬度 和高度； 為電位器線圈的總匝數(shù)。ANhbR)(2maxAbhN圖3-2 線性電位器式傳感器原理圖a）結(jié)構(gòu)圖 b）原理圖6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器8 由于電位器單位長(zhǎng)度上電阻值處處相等，當(dāng)電刷行程為 時(shí)，對(duì)應(yīng)的空載輸出電阻和輸出電壓分別為： 和 式中， 和 分別為電位器電刷的最大行程和加于電位器兩端的最大電壓； 和 分別為線性電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度。 由于 ， 為導(dǎo)線間的節(jié)距，因此 和 可表示為： 和式中， 為導(dǎo)線中的電流。xkxxRRRxmaxmaxxkxxUUUxmaxmaxxmaxxmaxUUkRkNtxmaxAthbkR)(2AthbI

7、kU)(2tUkRkI6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器9 實(shí)際上繞線線性電位器的變換是一匝一匝進(jìn)行的，電刷每移過(guò)一匝，輸出電壓（或電阻）產(chǎn)生一個(gè)增量 （ ），其值為： 由此可見(jiàn)，繞線線性電位器傳感器的輸入輸出特性不是線性的，而是一條階梯特性曲線。其理想階梯特性曲線見(jiàn)圖3-3。 由圖3-3可求出繞線線性電位器傳感器的電壓分辨率電壓分辨率 ，其定義為：在工作行程內(nèi)電位器產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)得出的輸出在工作行程內(nèi)電位器產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)得出的輸出電壓變化量與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)，電壓變化量與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)，即： URNUUmaxBk%1001%100%100maxmaxmaxNUNUUUkB圖3

8、-3 繞線線性電位器傳感器理想階梯特性曲線6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器10 由圖3-3可求出繞線線性電位器傳感器的階梯誤差階梯誤差 ，其定義為理想階梯特性曲線與理想的理論直線的最大偏差值與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)，即： 上面研究的是線性電位器的空載特性空載特性。實(shí)際上，由于負(fù)載電阻 ，當(dāng)傳感器帶負(fù)載時(shí)的工作特性稱為負(fù)載特負(fù)載特性性。由于負(fù)載效應(yīng)的存在，傳感器的負(fù)載特性與理想空載特性之間存在著偏差稱為負(fù)載誤差負(fù)載誤差。負(fù)載誤差與負(fù)載電阻 的大小有關(guān)，負(fù)載電阻 愈大，負(fù)載誤差愈小，反之亦然。%10021%100)21(%1002maxmaxmaxNUNUUUrjjrlRlRlR6:26 P

9、M生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器11例：例：帶負(fù)載線性電位器傳感器電路見(jiàn)圖帶負(fù)載線性電位器傳感器電路見(jiàn)圖3-4。圖中，。圖中， ， ， ， ， 。求負(fù)載誤差。求負(fù)載誤差。若若 ，負(fù)載誤差又是多少？，負(fù)載誤差又是多少？解解：位移 時(shí)傳感器電阻和空載輸出電壓分別為：由圖可求得帶負(fù)載 時(shí)的輸出電壓為： V5maxU k5maxRmmx50maxmmx30k20lRk 100lR)(k330505maxmaxxxRRxV330505maxmaxxxUUxxk20lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax83. 2203203)35(2032035圖3-4 帶負(fù)載電位器

10、傳感器電路圖6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器12 引起的負(fù)載誤差為：引起的負(fù)載誤差為： 若負(fù)載 ，可求得輸出電壓為： 引起的負(fù)載誤差為引起的負(fù)載誤差為： 由此可見(jiàn)，欲使負(fù)載誤差小于由此可見(jiàn)，欲使負(fù)載誤差小于1.0%，必須保證負(fù)載電阻，必須保證負(fù)載電阻 以上。以上。%7 . 5%1003383. 2%100 xxxllUUUrk100lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax)(96. 210031003)35(100310035V%3 . 1%1003396. 2%100 xxxllUUUrmax20RRl6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器13

11、非線性電位器傳感器是指在空載時(shí)其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器觸感器，也稱為函數(shù)電位器傳感器。它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其它任意函數(shù)，因此可以滿足控制系統(tǒng)的特殊要求。 常用的非線性電位器傳感器有變骨架式、變節(jié)距式和分路電阻式等。1.3 非線性電位器傳感器6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器14圖3.5 變骨架高度式非線性電位器結(jié)構(gòu)參數(shù)、A、t不變,只改變骨架寬度b或高度h曲線上任取一小段,可視為直線，用圖中折線逼近曲線電刷位移為x,對(duì)應(yīng)的電阻變化就是R線性電位器靈敏度公式仍然成立：1.3.1 1.3.1 變骨架式非線性電位器變骨架式非線性電位器6:

12、26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器15當(dāng)x0時(shí),由上述兩個(gè)公式可求出骨架高度的變化規(guī)骨架高度的變化規(guī)律為律為：212At dRhbdxAt dRhbIdx只要骨架高度滿足左邊式子，即可實(shí)現(xiàn)線性靈敏度要求。變骨架高度式電位器的繞線節(jié)距是不變的,因此其行程分辨率與線性電位器計(jì)算式相同。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器16 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 變骨架式非線性電位器理論上可以實(shí)現(xiàn)所要求的許多種函數(shù)特性,但結(jié)構(gòu)必須滿足： （1）為保證強(qiáng)度,骨架的最小高度hmin34mm,不能太 （2）骨架型面坡度應(yīng)小于2030，否則繞制時(shí)容易產(chǎn)生傾斜和打滑, 產(chǎn)生誤差,如圖3.6(a)所示。 減小誤差方法：（1）減小坡

13、度，可采用對(duì)稱骨架,如圖3.6(b)所示。（2）減小具有連續(xù)變化特性的骨架的制造和繞制困難, 將骨架設(shè)計(jì)成階梯形的,如圖3.7所示,實(shí)際是對(duì)特性曲線采用折線逼近。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器17圖圖3.6 對(duì)稱骨架式對(duì)稱骨架式 （a)骨架坡度太高骨架坡度太高;（b)對(duì)稱骨架減少坡度對(duì)稱骨架減少坡度6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器18 圖3.7 階梯骨架式非線性電位器實(shí)際是對(duì)特性曲線采用折線逼近.6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器191.3.2 1.3.2 變節(jié)距式非線性線繞電位器變節(jié)距式非線性線繞電位器變節(jié)距式非線性線繞電位器也稱為分段繞制的非線性線繞電位器。 1.節(jié)距變化規(guī)律

14、變節(jié)距式電位器是在保持、A、b、h不變的條件下,用改變節(jié)距t的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的非線性特性,如圖3.8所示?？蓪?dǎo)出節(jié)距的基本表達(dá)式為2 ()2(bhIbhtdRdUAAdxdx6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器20圖3.8 變節(jié)距式非線性電位器 6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器212. 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 骨架制造比較容易,（繞制較困難，但近年來(lái)數(shù)字程控繞制機(jī)減小了繞制困難），只能適用于特性曲線斜率變化不大的情況,一般 maxmaxminmin()3()dUtdxdUtdx其中可取其中可取 min(0.03 0.04)tdmm6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器22 分路電阻式非線性電位器傳感器

15、的工作原理實(shí)際上是通過(guò)折線逼近法來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)變換關(guān)系的，見(jiàn)圖3-9 。圖3-9 分路電阻式非線性電位器傳感器a）特性曲線 b）電路圖 1.3.3 1.3.3 分路（并聯(lián)）電阻式非線性電位器分路（并聯(lián)）電阻式非線性電位器 要實(shí)現(xiàn)實(shí)曲線所要求的特性:線性電位器全行程分若干段,引出一些抽頭, 對(duì)每一段并聯(lián)適當(dāng)阻值,使得各段的斜率達(dá)到實(shí)線所需的大小(每一段內(nèi),電壓輸出是線性的),而電阻輸出是非線性的.若能求出各段并聯(lián)電阻的大小,即可實(shí)現(xiàn)輸出特性實(shí)線所要求的函數(shù)關(guān)系。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器23 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 分路電阻式非線性電位器的行程分辨率與線性線繞電位器的相同。 分路電阻式非線性電位器原理

16、上存在折線近似曲線所帶來(lái)的誤差,但加工、繞制方便,對(duì)特性曲線沒(méi)有很多限制,使用靈活,通過(guò)改變并聯(lián)電阻,可以得到各種特性曲線。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器24 應(yīng)變式傳感器是利用金屬的將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。應(yīng)變式傳感器組成框圖應(yīng)變式傳感器組成框圖非電量非電量應(yīng)變應(yīng)變電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片彈性元件彈性元件電阻變化電阻變化傳感器傳感器6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器25一、工作原理一、工作原理 （電阻應(yīng)變效應(yīng)）（電阻應(yīng)變效應(yīng)）FFL Lr r電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨其變形（伸長(zhǎng)或縮短）而發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象。在未受到外力F F的作用時(shí)，電阻值為

17、：ALR6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器26當(dāng)受到拉力作用F F后，電阻的相對(duì)變化量為:0/(12 )KRR0/12K - =dL/L (=dL/L (縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變) )6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器27討論：1 1、應(yīng)變的靈敏系數(shù)、應(yīng)變的靈敏系數(shù)K K0 0受二個(gè)因素的影響：受二個(gè)因素的影響：幾何形狀變化的影響幾何形狀變化的影響電阻率發(fā)生變化的影響電阻率發(fā)生變化的影響 2 2、 對(duì)于金屬材料對(duì)于金屬材料：21,210K對(duì)于半導(dǎo)體材料對(duì)于半導(dǎo)體材料：0,21K壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)0(12 )RRK6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器28 1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片

18、由基底基底、敏感柵敏感柵、蓋片蓋片（有時(shí)加上引出線）組成。用粘貼劑粘貼劑將其粘貼在一起，構(gòu)成完整的應(yīng)變片。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器29(2)(2)應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的粘貼 粘貼在應(yīng)變變化均勻且較大的地方?；?、蓋片基底、蓋片 敏感柵敏感柵引出線引出線金屬絲式金屬絲式紙基、膠基紙基、膠基金屬絲金屬絲 1250 m(回線式、短接式）回線式、短接式）康銅、鎳鉻合金、鉑等康銅、鎳鉻合金、鉑等 0.10.15mm鍍錫銅絲鍍錫銅絲金屬箔式金屬箔式膠基膠基金屬箔片厚金屬箔片厚310 m(通過(guò)照相制版或光刻技術(shù)通過(guò)照相制版或光刻技術(shù))康銅、鎳鉻合金康銅、鎳鉻合金有或無(wú)有或無(wú)金屬薄膜式金屬薄膜式金屬

19、薄膜厚金屬薄膜厚0.1 m以下以下濺射到相應(yīng)的位置濺射到相應(yīng)的位置無(wú)無(wú)（1 1）應(yīng)變片的類(lèi)型）應(yīng)變片的類(lèi)型6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器306:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器31常用金屬電阻絲材料的性能常用金屬電阻絲材料的性能 最常用最常用動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)中高溫中高溫高溫高溫（3 3）應(yīng)變片的材料）應(yīng)變片的材料6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器32三、金屬應(yīng)變片的主要特性三、金屬應(yīng)變片的主要特性（貼在試件上后討論貼在試件上后討論）1. 1. 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) kRR原因：原因：1）粘貼層傳遞變形失真 , 2）橫向效應(yīng)。且且 。各種應(yīng)變片6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器332. 2. 橫向

20、效應(yīng)橫向效應(yīng) y x - y縱向伸長(zhǎng)作用使電阻值增加縱向伸長(zhǎng)作用使電阻值增加橫向縮短作用使電阻值減小橫向縮短作用使電阻值減小RRR 和電阻增量電阻增量 減小減小。6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器343. 3. 機(jī)械滯后機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后機(jī)械滯后。 原因：原因：殘余應(yīng)變殘余應(yīng)變；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃芜m當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分粘結(jié)劑固化不充分。1機(jī)械應(yīng)變卸載加載指示應(yīng)變i應(yīng)變片的機(jī)械滯后應(yīng)變片的機(jī)械滯后6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器354 4、零漂和蠕變、零漂和蠕變即：constT溫度）當(dāng)

21、( 0t指標(biāo)即：constT溫度）當(dāng) ( t指標(biāo)零漂：零漂：0真實(shí),蠕變?nèi)渥儯篶onst真實(shí),原因：存在內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、黏合劑受潮原因：存在內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、黏合劑受潮原因：絕緣電阻低、產(chǎn)生熱電勢(shì)等原因：絕緣電阻低、產(chǎn)生熱電勢(shì)等6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器365 5、應(yīng)變極限、應(yīng)變極限6 6、電阻值或稱原始電阻值、電阻值或稱原始電阻值7 7、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)考慮。應(yīng)變片反映敏感柵的平均應(yīng)變平均應(yīng)變。 應(yīng)變片傳播速度應(yīng)變片傳播速度V=V=聲波聲波，sm/5000鋼材6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器371).1).階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)階躍應(yīng)變階躍應(yīng)變

22、應(yīng)變柵長(zhǎng)度應(yīng)變柵長(zhǎng)度應(yīng)變波傳播速度應(yīng)變波傳播速度上升時(shí)間上升時(shí)間實(shí)際響應(yīng)曲線實(shí)際響應(yīng)曲線0.8rltv6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器382).2).正弦應(yīng)變波變化正弦應(yīng)變波變化設(shè)：在應(yīng)變片任意位置上設(shè)：在應(yīng)變片任意位置上x(chóng) x，通過(guò)的應(yīng)變波為：，通過(guò)的應(yīng)變波為：x2sin06:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器39122102sinxxdxxxxp則基長(zhǎng)則基長(zhǎng)l l的平均應(yīng)變的平均應(yīng)變: :1202cos2cos2xxl若測(cè)出的是平均應(yīng)變的最大值若測(cè)出的是平均應(yīng)變的最大值: :242421lXlXllpsin:0則6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器40相對(duì)誤差相對(duì)誤差:%1001sin%

23、10000llp(%)lln 誤差誤差 與與n有關(guān)，有關(guān)，n越大，越大， 越小越小一般取2010 nl%4 . 06 . 1則6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器41四、溫度誤差及補(bǔ)償四、溫度誤差及補(bǔ)償1 1、溫度誤差：、溫度誤差：1)1)敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化tRRtRRRRtRRtttt1CtC001溫度變化量電阻絲電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響和和材料線膨脹系數(shù)材料線膨脹系數(shù)的影響的影響6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器422) 2) 電阻絲材料與受力件材料的線膨脹系數(shù)不同，使電電阻絲材料與受力件材料的線膨脹系數(shù)不同，使電阻相

24、對(duì)變化為阻相對(duì)變化為：tKRRttcmtcm式中式中m m受力件材料的線膨脹系數(shù)；受力件材料的線膨脹系數(shù)； c c電阻絲材料的線膨脹系數(shù)；電阻絲材料的線膨脹系數(shù)； K K應(yīng)變片靈敏度應(yīng)變片靈敏度總電阻溫度相對(duì)誤差：總電阻溫度相對(duì)誤差：RRRRRRtttttKcm6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器43應(yīng)變誤差應(yīng)變誤差：tKcm應(yīng)力誤差應(yīng)力誤差：1tmcRRKttKK tmcRREEEtKK6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器44 一試件為鋼材，電阻絲為康銅絲， c=1510-6/, m= 1110-6/，在t=1時(shí)， , K=2， ，計(jì)算其電阻相對(duì)誤差、應(yīng)變誤差、應(yīng)力誤差？）（/10206)/

25、N102024mmE（6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器45通常有通常有應(yīng)變片自補(bǔ)償應(yīng)變片自補(bǔ)償和和線路補(bǔ)償線路補(bǔ)償。 2 2、 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 （1)1)自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法)(cmK設(shè)法?。篟RRRRRtttttKcm0)(cmK則：6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器46(2) (2) 線路補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法: : 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。U Uo o= =A A( (R R1 1R R4 4- -R R2 2R R3 3) ) R2243214)(RURRRRUA6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器47R1工作片工作片F(xiàn)R2補(bǔ)償片補(bǔ)償片

26、補(bǔ)償塊補(bǔ)償塊1414oUAR R KUK 6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器48既實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)嘗，又實(shí)現(xiàn)了提高靈敏度的作用。既實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)嘗，又實(shí)現(xiàn)了提高靈敏度的作用。 RRRRRR21tt2t1RRRRRR Uk412RRU412)RRRR(U41U210R1（拉）（拉）R2（壓）（壓）F6:26 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器49五、測(cè)量電路電阻值的電阻值的變化變化電壓電壓/ /電流的電流的變化變化1 直流電橋直流電橋2 交流電橋交流電橋6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器50R1R2R4R3ACBEDIoRLUo直流電橋直流電橋 當(dāng)當(dāng)R RL L時(shí)，電橋輸時(shí)，電橋輸出電壓為：出電壓為： 1

27、. 1. 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件（一）直流電橋（一）直流電橋311234oRRUERRRR6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器51當(dāng)電橋平衡時(shí)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，U Uo o=0=0，則，則 R1R4=R2R33124RRRR此式為此式為電橋平衡條件電橋平衡條件，即：，即： 電橋相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，電橋相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對(duì)兩臂或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等電阻的乘積應(yīng)相等。R1R2R4R3ACBEDIoRLUo6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器52 當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為 ：2. 2. 電壓靈敏度

28、電壓靈敏度3111411234112344131124113()()11oRRRR RUEERRRRRRRRRRRRRRERRRRRR 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器53設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，平衡條件R2/R1=R4/R3， 則： 121(1)oRnUEnR 電橋電壓靈敏度定義為：電橋電壓靈敏度定義為：211(1)oUUnKERnR 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器543.3. 差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋 差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳

29、感器55（二）（二） 交流電橋交流電橋Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)交流電橋交流電橋6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器5611112222334411RZj R CRZj R CZRZR C1、C2表示應(yīng)變片引線分布表示應(yīng)變片引線分布電容電容。 可求得交流電橋的平衡條可求得交流電橋的平衡條件為：件為： 2413RRRR2112RCRC6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器57R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD交流電橋平衡

30、調(diào)節(jié)交流電橋平衡調(diào)節(jié)6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器58六、六、 應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用1 1力傳感器力傳感器2 2壓力傳感器壓力傳感器3 3液重傳感器液重傳感器4 4加速度傳感器加速度傳感器6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器59(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU1) 1) 圓柱圓柱( (筒筒) )式力傳感器式力傳感器柱式柱式筒式筒式圓柱面展開(kāi)圖圓柱面展開(kāi)圖橋路連線圖橋路連線圖6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器60(a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5與柱式相比，應(yīng)力分布變化較大，且有正有負(fù)與柱式相比，應(yīng)力

31、分布變化較大，且有正有負(fù)。結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖2) 2) 環(huán)式力傳感器環(huán)式力傳感器應(yīng)力分布應(yīng)力分布6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器616:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器626:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器63沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)。沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器646:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器65將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器66trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器應(yīng)變變化圖應(yīng)變變化圖應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器

32、67微 壓 傳 感 器電 阻 應(yīng) 變敏 感 元 件傳 壓 桿感 壓 膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R120()KK QUA6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器68 應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。 基本工作原理：物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，即a=F/m。 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器69電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 32141等 強(qiáng) 度 梁 ；2質(zhì) 量 塊 ；3殼 體 ；4電 阻 應(yīng) 變 敏 感 元 體適用適用1060 Hza=F/m6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器70

33、振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器: : 適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器71橋梁固有頻率測(cè)量橋梁固有頻率測(cè)量: :6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器72脈象傳感器脈象傳感器6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器73 壓阻傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的壓阻傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的一種新的物性型傳感器。一種新的物性型傳感器。體型壓力傳感器體型壓力傳感器：半導(dǎo)體應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器（擴(kuò)散

34、型（擴(kuò)散型壓阻傳感器）：壓阻傳感器）：應(yīng)變電阻與硅基片一體化應(yīng)變電阻與硅基片一體化6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器742(12)d Rd ld ldRldl材料阻值變化材料阻值變化：應(yīng)變?yōu)椴此杀龋?一、壓阻效應(yīng)一、壓阻效應(yīng) 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：當(dāng)固體材料在某一方向承受應(yīng)：當(dāng)固體材料在某一方向承受應(yīng)力時(shí)，其力時(shí)，其電阻率電阻率（或電阻）發(fā)生變化的現(xiàn)象。（或電阻）發(fā)生變化的現(xiàn)象。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器75:d引 入 ：（： 為 壓 阻 系 數(shù) ;應(yīng) 力 ）(12)d RR電阻相對(duì)變化量：電阻相對(duì)變化量：對(duì)金屬材料對(duì)金屬材料：(12)mdRKR6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器76

35、對(duì)半導(dǎo)體材料對(duì)半導(dǎo)體材料：sdREKR 式中： 壓阻系數(shù)； E彈性模量； 應(yīng)力； 應(yīng)變。Ed2121ERdR 由于半導(dǎo)體的由于半導(dǎo)體的EE一般可達(dá)一般可達(dá)50-100,50-100,比（比（1+21+2）2 2 大大幾十倍甚至上百倍，因此引起半導(dǎo)體材料電阻相對(duì)變化幾十倍甚至上百倍，因此引起半導(dǎo)體材料電阻相對(duì)變化的主要原因是壓阻效應(yīng)，所以上式可近似寫(xiě)成的主要原因是壓阻效應(yīng)，所以上式可近似寫(xiě)成：mmsKKK100506:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器77 晶體是具有多面體形態(tài)的固體，由分子、原子或離子有晶體是具有多面體形態(tài)的固體，由分子、原子或離子有規(guī)則排列而成。規(guī)則排列而成。這種多面體的表面由

36、稱為這種多面體的表面由稱為晶面晶面的許多平面圍的許多平面圍合而成合而成。晶面與晶面相交的直線稱為晶面與晶面相交的直線稱為晶棱晶棱，晶棱的交點(diǎn)稱為晶棱的交點(diǎn)稱為晶體的晶體的頂點(diǎn)頂點(diǎn)。為了說(shuō)明晶格點(diǎn)陣的配置和確定晶面的位置，。為了說(shuō)明晶格點(diǎn)陣的配置和確定晶面的位置，通常引進(jìn)一組對(duì)稱軸線，稱為通常引進(jìn)一組對(duì)稱軸線，稱為晶軸晶軸，用，用X X、Y Y、Z Z表示表示。二、晶向的表示方法二、晶向的表示方法 擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向各向異性材料異性材料，取向不同其特性不一樣。而取向是用，取向不同其特性不一樣。而取向是用晶向晶向表示

37、的，表示的，所謂晶向就是所謂晶向就是晶面晶面的法線方向。的法線方向。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器78 C ZOBAXY Y11晶體晶面的截距表示晶體晶面的截距表示 硅為立方晶體結(jié)構(gòu)硅為立方晶體結(jié)構(gòu)，就取立方晶體的三個(gè)相鄰邊，就取立方晶體的三個(gè)相鄰邊為為X X、Y Y、Z Z。在晶軸在晶軸X X、Y Y、Z Z上取與所有晶軸相交的上取與所有晶軸相交的某晶面為某晶面為單位晶面單位晶面，如圖所示。，如圖所示。 此晶面與坐標(biāo)軸上的截距為此晶面與坐標(biāo)軸上的截距為OAOA、OBOB、OCOC。已知某晶。已知某晶面在面在X X、Y Y、Z Z軸上的截距為軸上的截距為OAxOAx、OByOBy、OCz

38、OCz，它們與單位，它們與單位晶面在坐標(biāo)軸截距的比可寫(xiě)成：晶面在坐標(biāo)軸截距的比可寫(xiě)成：6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器79 式中，式中，p p、q q、r r為沒(méi)有公約數(shù)為沒(méi)有公約數(shù)(1(1除外除外) )的簡(jiǎn)單整數(shù)。為了方的簡(jiǎn)單整數(shù)。為了方便取其倒數(shù)得：便取其倒數(shù)得：式中，式中，h h、k k、l l也為沒(méi)有公約數(shù)（也為沒(méi)有公約數(shù)（1 1除外）的簡(jiǎn)單整數(shù)除外）的簡(jiǎn)單整數(shù)。依。依據(jù)上述關(guān)系式，可以看出截距據(jù)上述關(guān)系式，可以看出截距OAOAx x、OBOBy y、OCOCz z的晶面，能用的晶面，能用三個(gè)簡(jiǎn)單整數(shù)三個(gè)簡(jiǎn)單整數(shù)h h、k k、l l來(lái)表示來(lái)表示。h、k、l稱為密勒指數(shù)稱為密勒指數(shù)

39、。rqpOCOCOBOBOAOAzyx:1 1 1: : :xyzOA OBOCh k lOA OBOCp q r6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器80 而晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關(guān)的規(guī)定，而晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關(guān)的規(guī)定，晶面晶面符符號(hào)為號(hào)為( (hklhkl) )，晶面全集晶面全集符號(hào)為符號(hào)為 hklhkl ，晶向晶向符號(hào)為符號(hào)為 hklhkl ，晶向全集晶向全集符號(hào)為符號(hào)為hklhkl。晶面所截的線段對(duì)于。晶面所截的線段對(duì)于X X軸，軸，O O點(diǎn)點(diǎn)之前為正，之前為正，O O點(diǎn)之后為負(fù)；對(duì)于點(diǎn)之后為負(fù)；對(duì)于Y Y軸，軸，O O點(diǎn)右邊為正，點(diǎn)右邊為正，O O點(diǎn)左點(diǎn)左邊為負(fù)；對(duì)于邊

40、為負(fù)；對(duì)于Z Z軸，在軸，在O O點(diǎn)之上為正，點(diǎn)之上為正，O O點(diǎn)之下為負(fù)。點(diǎn)之下為負(fù)。 C ZOBAXY116:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器81依據(jù)上述規(guī)定的晶體符號(hào)的表示方法，可用來(lái)分析立方依據(jù)上述規(guī)定的晶體符號(hào)的表示方法，可用來(lái)分析立方晶體中的晶面、晶向。晶體中的晶面、晶向。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX單晶硅內(nèi)幾種不同晶向與晶面（b）（a）v 對(duì)立方晶系（對(duì)立方晶系（x=y=z,xyz),x=y=z,xyz),面指數(shù)為（面指數(shù)為（hkl)hkl)的的晶面與密勒指數(shù)為晶面與密勒指數(shù)為hklhkl的晶向彼此垂直。的晶向彼此垂直

41、。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器82例：例：111111111v 晶向、晶面、晶面族分別為：v 晶向、晶面、晶面族分別為：xy111zzxy4-2-2 1221221226:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器83判斷兩晶面垂直判斷兩晶面垂直v兩晶向兩晶向Ah1k1l1 與與Bh2k2l2:212121llkkhhBA垂直0212121llkkhhBA不垂直0212121llkkhhBA6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器84三、壓阻系數(shù)三、壓阻系數(shù)1 1、單晶硅的壓阻系數(shù)、單晶硅的壓阻系數(shù)d654321,654321,v六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量：v六個(gè)獨(dú)立的電阻率的變化率：半導(dǎo)體電阻的相對(duì)變化近

42、似等于電阻率的相對(duì)變化，而半導(dǎo)體電阻的相對(duì)變化近似等于電阻率的相對(duì)變化，而電阻率電阻率的相對(duì)變化與應(yīng)力成正比的相對(duì)變化與應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)就是，二者的比例系數(shù)就是壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器85電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系: :6543216665646362615655545352514645444342413635343332312625242322211615141312116543216:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器86分析分析: : 剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng) 正向應(yīng)力不可能產(chǎn)

43、生剪切壓阻效應(yīng)正向應(yīng)力不可能產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng) 剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng)剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng) 剪切壓阻系數(shù)相等剪切壓阻系數(shù)相等 正向壓阻系數(shù)相等正向壓阻系數(shù)相等 橫向壓阻系數(shù)相等橫向壓阻系數(shù)相等111212121112121211444444000000000000000000000000441211、分別為縱向、橫向和分別為縱向、橫向和剪切方向的壓阻系數(shù)剪切方向的壓阻系數(shù)6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器87 對(duì)對(duì)P型硅型硅( (摻雜三價(jià)元素）：摻雜三價(jià)元素）：11、 120，只考慮，只考慮44 ： 對(duì)對(duì)N型硅型硅( (摻雜五價(jià)元素）摻雜五價(jià)元素） ：44

44、 0 ， 12 -1/211 ，晶體導(dǎo)電類(lèi)型電阻率（.m)11 12 44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6壓阻系數(shù)（壓阻系數(shù)（10-11m2/N）6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器88pQ2 2、任意方向（、任意方向（P P方向）電阻變化方向）電阻變化/123I/dRR v： 縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力v ：橫向應(yīng)力：橫向應(yīng)力v：縱向壓阻系數(shù)縱向壓阻系數(shù)v : 橫向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器89將各個(gè)壓阻系數(shù)向?qū)⒏鱾€(gè)壓阻系數(shù)向P P、Q Q方向投影方向投影: :)( 221212121212144121111/nlnmml

45、)(22212221222144121112nnmmll 已知：已知：v(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦v(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器90關(guān)于方向余弦關(guān)于方向余弦cos222zyxxlcos222zyxzncos222zyxym某晶向某晶向xyz(x,y,zxyz(x,y,z是密勒指數(shù)）的方向余弦為是密勒指數(shù)）的方向余弦為：6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器91 例例1：計(jì)算（：計(jì)算（100）晶面內(nèi)）晶面內(nèi)011晶向的縱向晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù)。與橫向壓阻系數(shù)。v（100） 晶面內(nèi)晶面內(nèi) 011 晶向的橫向?yàn)榫虻臋M向?yàn)?011 晶向

46、晶向yxzv設(shè)設(shè)011與與011晶向的方向余弦分別為：晶向的方向余弦分別為： l1、m1、n1, l2、m2、n26:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器9201l21111221m21111221n02l211) 1(1222m211) 1(1222n)(212121)(244121144121111/)(21)21212121)(44121144121112)( 221212121212144121111/nlnmml)(22212221222144121112nnmmll6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器931112/444401122P 對(duì) 型硅：441211/111110,21144N

47、 對(duì) 型硅：6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器94 例例2：計(jì)算（：計(jì)算（110）晶面內(nèi)）晶面內(nèi)110晶向的縱向與晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù)。橫向壓阻系數(shù)。v設(shè)（設(shè)（110110）晶面內(nèi)晶向的一般形式為）晶面內(nèi)晶向的一般形式為hkl,hkl,則：則：0011lkhkhv?。ㄈ。?10）晶面內(nèi)）晶面內(nèi) 110 晶向的橫向?yàn)榫虻臋M向?yàn)?001lhh一般形式為：6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器95v設(shè)設(shè) 110 與與 001 晶向的方向余弦分別為：晶向的方向余弦分別為：l1、m1、n1, l2、m2、n201n21) 1(11221l21) 1(11221m02l02m12n6:27 PM生物

48、醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器96)(212121)(244121144121111/12441211120)(02144/型硅：對(duì)P1111/2141型硅：對(duì)N6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器973 3、影響壓阻系數(shù)的因素、影響壓阻系數(shù)的因素 擴(kuò)散電阻的擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度表面雜質(zhì)濃度和和溫度溫度。120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度NS /cm-3P型Si(44)N型Si(-11) 11或 44 / 10-11m2/NT=24壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系v擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)都要減小擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)都要減小6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電

49、阻傳感器98解釋：1nevn：載流子濃度：載流子濃度ve：載流子所帶電荷：載流子所帶電荷v ：載流子遷移率：載流子遷移率v ：電阻率：電阻率vNs雜質(zhì)原子數(shù)多雜質(zhì)原子數(shù)多載流子多載流子多 nv雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度Ns n在應(yīng)力作用下在應(yīng)力作用下的變化更小的變化更小 / 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器99v表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降快表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降快v表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降慢表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降慢6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器100en1解釋：vT載流子獲得的動(dòng)能載流子獲得的動(dòng)能運(yùn)動(dòng)亂運(yùn)動(dòng)亂 / Ns大，大， 變化較小

50、變化較小 變化小變化小Ns小，小， 變化大變化大 變化大變化大 Ns大：受溫度影響小受溫度影響小高濃度擴(kuò)散，使高濃度擴(kuò)散，使p-n結(jié)擊穿電壓結(jié)擊穿電壓絕緣電阻絕緣電阻 漏電漏電漂移漂移性能不穩(wěn)定性能不穩(wěn)定6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器101四、固態(tài)壓阻器件四、固態(tài)壓阻器件1、固態(tài)壓阻器件的結(jié)構(gòu)原理、固態(tài)壓阻器件的結(jié)構(gòu)原理1 N-Si膜片 2 P-Si導(dǎo)電層 粘貼劑 硅底座 引壓管 Si 保護(hù)膜 7 引線 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器102 當(dāng)硅單晶在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，如圖當(dāng)硅單晶在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，如圖 (a)(a)所示，其阻值的相對(duì)變化為：所示，

51、其阻值的相對(duì)變化為： 式中式中 l l縱向應(yīng)力；縱向應(yīng)力； t t橫向應(yīng)力；橫向應(yīng)力； l l縱向壓阻系數(shù)；縱向壓阻系數(shù)； t t橫向壓阻系數(shù)。橫向壓阻系數(shù)。力敏電阻受力情況示意圖力敏電阻受力情況示意圖llttRR （a）001100010llttR6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器103 在硅膜片上，根據(jù)在硅膜片上，根據(jù)P P型電阻的擴(kuò)散方向不同可分為型電阻的擴(kuò)散方向不同可分為徑向電徑向電阻阻和和切向電阻切向電阻，如圖，如圖 (b)(b)所示。擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊平行于膜片半所示。擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊平行于膜片半徑時(shí)為徑時(shí)為徑向電阻徑向電阻R Rr r；垂直于膜片半徑時(shí)為；垂直于膜片半徑時(shí)為切向電阻切

52、向電阻R Rt t。當(dāng)圓形。當(dāng)圓形硅膜片半徑比硅膜片半徑比P P型電阻的幾何尺寸大得多時(shí)，其電阻相對(duì)變化型電阻的幾何尺寸大得多時(shí)，其電阻相對(duì)變化可分別表示如下：可分別表示如下： ttrlrRRrttltRR trlrttltRrRt（b）llttRR 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器104 若圓形硅膜片周邊固定，在均布?jí)毫Φ淖饔孟拢?dāng)若圓形硅膜片周邊固定，在均布?jí)毫Φ淖饔孟拢?dāng)膜片位移遠(yuǎn)小于膜片厚度時(shí)，其膜片的應(yīng)力分布為：膜片位移遠(yuǎn)小于膜片厚度時(shí)，其膜片的應(yīng)力分布為： 式中式中r r、x x、h h膜片的膜片的有效半徑有效半徑、計(jì)算點(diǎn)半徑計(jì)算點(diǎn)半徑、厚度厚度（m m）；）；泊松系數(shù)，硅取泊

53、松系數(shù)，硅取=0.35=0.35；P P壓力（壓力（PaPa）。）。2223138rPrxh222311 38tPrxh6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器105trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的應(yīng)力分布圖平膜片的應(yīng)力分布圖根據(jù)上兩式作出曲線就可得圓形平膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力分布圖。根據(jù)上兩式作出曲線就可得圓形平膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力分布圖。x x=0.635=0.635r r時(shí)時(shí)，r r=0=0；x x0.63500，即為拉應(yīng)力；，即為拉應(yīng)力；x x0.6350.635r r時(shí)時(shí)，r r00，即為壓應(yīng)力。，即為壓應(yīng)力。x x=0.812=0.812r r時(shí)時(shí)，t t=0=0

54、，僅有，僅有r r存在，且存在，且r r00，即為壓應(yīng)力。，即為壓應(yīng)力。00.516:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器106方案一方案一：既利用縱向壓阻效應(yīng)又利用橫向：既利用縱向壓阻效應(yīng)又利用橫向壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 在在001晶向的晶向的N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110與與110兩晶向擴(kuò)散四個(gè)兩晶向擴(kuò)散四個(gè)P型電阻條型電阻條xyz6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器107trrRR /11/rttRR /11/1101106:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器108 1、在、在110晶向：擴(kuò)散兩個(gè)徑向晶向：擴(kuò)散兩個(gè)徑向P型電阻型電阻222 22 2/44111 1112()l mm nl n1

55、1111022lmn/44122 22222441 21212()l lm mn n22211022lmn44126:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器1092、在在110晶向：擴(kuò)散兩個(gè)切向晶向：擴(kuò)散兩個(gè)切向P型型電阻電阻222222/441111112()l mm nl n02121111nml/441202121222nml4412 2 22222441 21212()l lm mn n 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器110所以所以：24444213()(1)28rtrRprRh 24444213()(1)28rttRprRh trRRRR 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器111r

56、RR tRR RRr電阻變化與電阻變化與r的關(guān)系：的關(guān)系：6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器112如：擴(kuò)散在如：擴(kuò)散在0.812r處，此時(shí)處，此時(shí)t=0rrrRR44/21 trRRRR rrtRR4421 6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器113方案二方案二：只利用縱向壓阻效應(yīng)只利用縱向壓阻效應(yīng) 在在110110晶向的晶向的N N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110110晶向晶向在在0.635r0.635r之內(nèi)與之外各之內(nèi)與之外各擴(kuò)散兩個(gè)擴(kuò)散兩個(gè)P P型電阻條，型電阻條，110110的橫向?yàn)榈臋M向?yàn)?01001。110001R1R2R3R46:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器1140212

57、1111nml44/21100222nml0rRR44/21 110方向方向余弦：方向方向余弦：001方向方向余弦：方向方向余弦：6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器115由于在由于在0.6350.635r r半徑之內(nèi)半徑之內(nèi)r r為正值，在為正值，在0.6350.635r r半徑之半徑之外外r r負(fù)值，內(nèi)、外電阻值的變化率應(yīng)為負(fù)值，內(nèi)、外電阻值的變化率應(yīng)為4412riiRR 4412rooRR riroiRRoRR riroioRRRR 即可組成差動(dòng)電橋。即可組成差動(dòng)電橋。式中式中 、 內(nèi)、外電阻所受徑向應(yīng)力的平均值內(nèi)、外電阻所受徑向應(yīng)力的平均值內(nèi)外電阻的相對(duì)變化。內(nèi)外電阻的相對(duì)變化。設(shè)計(jì)時(shí)

58、，適當(dāng)安排電阻的位置，可以使得設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以使得:=于是有于是有6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器1161 1、恒壓源供電、恒壓源供電 擴(kuò)散電阻起始阻值都為擴(kuò)散電阻起始阻值都為R R，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)電，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)電阻阻值增加，兩個(gè)減??；溫度變化引起的阻值變化為阻阻值增加，兩個(gè)減??；溫度變化引起的阻值變化為R Rt t：R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4 五、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償五、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器117電橋輸出為電橋輸出為：()()itoutttitttURRRURRRRRRURRRRRRRRR o

59、utitRUURR 當(dāng)當(dāng)R Rt t=0=0時(shí)時(shí)：outiRUURvR Rt t00時(shí)，時(shí)，U Uoutout=f(=f(t)t)是非線性關(guān)系是非線性關(guān)系，恒壓源供電不能消，恒壓源供電不能消除溫度影響。除溫度影響。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器1182 2、恒流源供電、恒流源供電)(2tADCABCRRRRIIIADCABC21R1+ R1R2 - R2UoutR3- R3R4+ R4ABCD6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器119outUIRoutUR 11()()22outttUI RRRI RRR 可見(jiàn)，可見(jiàn)，電橋輸出與電阻變化成正比電橋輸出與電阻變化成正比，即與被，即與被測(cè)量成

60、正比測(cè)量成正比，與恒流源電流成正比與恒流源電流成正比，即與恒流源，即與恒流源電流大小和精度有關(guān)。但電流大小和精度有關(guān)。但與溫度無(wú)關(guān)與溫度無(wú)關(guān)，因此不受，因此不受溫度的影響。但是，壓阻器件本身受到溫度影響溫度的影響。但是，壓阻器件本身受到溫度影響后，要產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，因后，要產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，因此必須采取溫度補(bǔ)償措施。此必須采取溫度補(bǔ)償措施。6:27 PM生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器1203. 3. 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償零點(diǎn)溫度補(bǔ)償 零點(diǎn)溫度漂移是由于零點(diǎn)溫度漂移是由于四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻法補(bǔ)