壓阻式壓力傳感器原理及其應用_第1頁
壓阻式壓力傳感器原理及其應用_第2頁
壓阻式壓力傳感器原理及其應用_第3頁
壓阻式壓力傳感器原理及其應用_第4頁
壓阻式壓力傳感器原理及其應用_第5頁
已閱讀5頁,還剩2頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、壓阻式壓力傳感器利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后,電阻率發(fā)生變化,通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號 輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢?量(如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度)的測量和控制)。壓阻效應 當力作用于硅晶體時,晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化, 擾動了載流子縱向和橫向的平 均量,從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異,因此硅的 壓阻效應與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應不同于金屬應變計(見電阻應變計), 前者電阻隨壓力的變化主

2、要取決于電阻率的變化,后者電阻的變化則主要取決于 幾何尺寸的變化,而且前者的靈敏度比后者大50100倍。壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi),引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器,它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏 感元件間接感受外力,而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。硅膜片的一面是與 被測壓力連通的高壓腔,另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊 固支的圓形,直徑與厚度比約為 2060。在圓形硅膜片(N型)定域擴散4條P雜 質(zhì)電阻條,并接成全橋,其中兩條位于壓應力區(qū),另兩條處于拉應力區(qū),

3、相對于膜 片中心對稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻 條,兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構(gòu)成全橋。發(fā)展狀況1954年.史密斯詳細研究了硅的壓阻效應,從此開始用硅制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半導體應變計式的。后來在N型硅片上定域擴散P型雜質(zhì)形成電阻條,并接成電橋,制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才 能敏感壓力的變化。采用這種芯片作為敏感元件的傳感器稱為擴散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結(jié)構(gòu),因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動態(tài)測量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺點。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯

4、式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷,而且能將電阻條、補償電路和信號調(diào)整電路集成在一塊硅片上, 甚至將微型處理器與傳感器集成在一起,制成智能傳感器(見單片微型計算機)。這種新型傳感器的優(yōu)點是:頻率響應高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達兆赫以上),適 于動態(tài)測量:體積小(例如有的產(chǎn)品外徑可達毫米),適于微型化;精度高, 可達%;靈敏高,比金屬應變計高出很多倍,有些應用場合可不加放大器; 無活動部件,可靠性高,能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。其缺 點是溫度影響較大、工藝較復雜和造價高等。應用:壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、

5、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù),對靜態(tài)和動態(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布,測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中,使用專門設計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500c以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達的配套硅 壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中,壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅毫米,固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量程的± % o 在生物

6、醫(yī)學方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測 工具。已制成擴散硅膜薄到 10微米,外徑僅毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和 能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。圖 3是一種用于測量 腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應用于爆炸壓力和沖擊波的測量、 真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊 波等兵器方面的測量。止匕外,在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故 障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應用壓阻式傳感器。隨著微電子技 術(shù)和計算機的進一步發(fā)展,壓阻式傳感器的應用還將迅速發(fā)展。壓阻式壓力傳感器優(yōu)點:1 .頻率響應高,f0可達1.5M;2 .

7、體積小、耗電少;3 .靈敏度高、精度好,可測量到 %勺精確度;4 .無運動部件(敏感元件與轉(zhuǎn)換元件一體)。壓阻式壓力傳感器缺點:1 .溫度特性差;2 .工藝復雜。一種壓阻式壓力傳感器溫度補償設計上傳者:張殊凡?瀏覽次數(shù):856摘要:介紹了一種溫度補償方法的基本原理,其解決了微型壓阻式壓力傳感器溫補問題;詳細闡述了一種實用的整體補償電路,并從理論上導出了分析計算公式,最后給出傳感器整體的零位和靈敏度溫度系數(shù)在補償前后的對比情況。關(guān)鍵詞:壓阻式傳感器;溫度測量;整體溫度補償一、前言隨著集成電路和半導體技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了以半導體材料的壓阻效應為原 理制成的半導體力敏傳感器,而其中的硅壓阻式壓力傳感器

8、因具有體積小、性能 高、廉價等優(yōu)點得到了廣泛應用。但利用擴散技術(shù)形成的電橋阻值易隨溫度改 變,并且壓阻元件的壓阻系數(shù)具有較大的負溫度系數(shù),這些易引起電阻值與電阻溫度系數(shù)的離散,導致壓力傳感器的熱靈敏度漂移和零點漂移1 0為此,作者采用設計了一種適用于壓阻式壓力傳感器的整體溫度補償電路,它具有補償精度高、穩(wěn)定性能好、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點,可達到較為滿意的應用結(jié)果。二、誤差來源由于半導體材料對溫度十分敏感,壓阻式壓力傳感器的四個檢測電阻多接 為惠斯登電橋型,其有恒流和恒壓兩種工作方式。假設半導體應變片電阻Rt的溫度系數(shù)為 明靈敏度K的溫度系數(shù)為 B,加在傳感器上的電壓為 Vin,則電阻 值、靈敏度隨溫度

9、改變的表達式分別為:RT=R0(1+z T) (1);KT=K0(1+ B T)(2)則傳感器輸出為2 : Vout =( R/R0)Vin = K0(1+ B T)eVin (3)式中,R0基準溫度時傳感器的電阻值(初始值);4RH壓力引起的電阻變 化;K0基準溫度時靈敏度;e 應變系數(shù)。由此式知,壓力隨溫度的改變量和 B的隨溫度的變化相同,具有較大負溫度 系數(shù),溫度系數(shù)為C C。圖1給出了不同摻雜濃度下 P型硅片的靈敏度系數(shù)隨 溫度變化的曲線3。圖中,從a到e各條曲線對應的摻雜濃度遞增。由圖可知,P 型應變電阻,無論是輕摻雜還是重摻雜,其靈敏度系數(shù)均隨溫度的提高而逐漸 減小。由于各應變片阻

10、值不可能匹配,且應變片的電阻溫度系數(shù)在 /C左右,會造成零點漂移電壓。三、溫度補償原理與電路設計1、零位溫漂補償壓阻式壓力傳感器的四個檢測電阻多接為惠斯登電橋形式,其原理如圖2(a)所示。由惠斯登電橋原理可知,零位輸出電壓為:Vout=(4)則常溫下應使R2R4-R1R3=03,得零位輸出為0。當外界溫度為T時,電橋 零位輸出變?yōu)椋篤out '二若 R2TR4T-R1TR3TX®U溫漂為正;若 R2TR4T-R1TR3T<0,U溫漂為負。故調(diào)節(jié)零位漂移的關(guān)鍵是改變 R2TR4Tg R1TR3T的大小。采用的方法是在 R1上串聯(lián) 電阻Rm或者在R3上并聯(lián)電阻Rn,分別如圖

11、2(b)、2(c)所示,則調(diào)節(jié)Rm Rn阻 值大小,可達到調(diào)節(jié)零位輸出的目的。 Rmffl Rn的阻值可由下面的公式求得。(1)求串聯(lián)電阻Rm值由電橋原理,則圖2(b)中的輸出電壓為:Vout' =U(6)因R1' = R1+Rm并令Vout' =0,代入 式,計算可得:Rm=R4(2)求并聯(lián)電阻Rn值理在圖2(c)中,Vout' = U 因R3',且Vout' =0,根據(jù)(6)式可得:Rn= 0 2、靈敏度溫度補償用整體電路溫補的方法來對靈敏度溫漂進行補償,設計電路如圖3所示。圖中,A1和A2構(gòu)成差動放大器,將傳感器的輸出電信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒与妷海缓笥葾4作為差動輸入單端輸出放大器,將電壓差信號變?yōu)閷Φ剌敵龅碾娦盘枴R騻鞲衅?的輸出電壓靈敏度漂移具有負溫度系數(shù),則用晶體管基極-發(fā)射極間電壓 Vbe的負溫度特性來抵消它。同時,在A4上的負反饋電阻上并聯(lián)正溫度系數(shù)的熱敏電 阻RT,以達到用增益的正溫度特性更好的彌補電橋部分靈敏度負溫度特性的目 的。3、整體性能設計由于在零位補償中,實際傳

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論