微系统设计与应用
加速度传感器的原理与构造
班级：2012机自实验班
指导教师：xxx
小组成员：xxx
xx大学机械工程学院
二OO五年十一月
摘要
随着硅微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展,各种基于MEMS技术的器件也应运而生,目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等,它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容,易于实现数字化、智能化以及批量生产,因而从问世起就引起了广泛关注,并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。本文着手于不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。
关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造
目录
1 压阻式加速度传感器 (2)
1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2)
1.2 压阻式加速度传感器的原理 (2)
1.2.1 敏感原理 (3)
1.2.2 压阻系数 (4)
1.2.3 悬臂梁分析 (5)
1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6)
1.3.1结构部分 (6)
1.3.2 硅帽部分 (8)
1.3.3键合、划片 (9)
2电容式加速度传感器 (9)
2.1电容式加速度传感器原理 (9)
2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (9)
2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (11)
2.2电容式加速度传感器的构造 (12)
2.2.1机械结构布局的选择与设计 (12)
2.3.2材料的选择 (14)
2.3.3工艺的选择 (15)
2.3.4具体构造及加工工艺 (16)
3 其他加速度传感器 (18)
3.1 光波导加速度计 (18)
3.2微谐振式加速度计 (18)
3.3热对流加速度计 (19)
3.4压电式加速度计 (19)
4 加速度传感器的应用 (20)
4.1原理 (20)
4.2 功能 (20)
参考文献 (22)
1 压阻式加速度传感器
压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器。这类加速度传感器的悬臂梁上制作有压敏电阻，当惯性质量块发生位移时:会引起悬臂梁的伸长或压缩，改变梁上的应力分布，进而影响压敏电阻的阻值.压阻电阻多位于应力变化最明显的部位。这样，通过两个或四个压敏电阻形成的电桥就可实现加速度的测量。其特点在于压阻式加速度传感器低频信号好、可测量直流信号、输入阻抗低、且工作温度范围宽，同时它的后处理电路简单、体积小、质量轻，因此在汽车、测振、航天、航空、航船等领域有广泛的应用。
1.1 压阻式加速度传感器的组成
MEMS 压阻式加速度传感器的敏感元件由弹性梁、质量块、固定框组成。压阻式加速度传感器实质上是一个力传感器，他是利用用测量固定质量块在受到加速度作用时产生的力F 来测得加速度a 的。在目前研究尺度内，可以认为其基本原理仍遵从牛顿第二定律。也就是说当有加速度a 作用于传感器时，传感器的惯性质量块便会产生一个惯性力:F=ma,此惯性力F 作用于传感器的弹性梁上，便会产生一个正比于F 的应变。，此时弹性梁上的压敏电阻也会随之产生一个变化量△R ，由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与△R 成正比的电压信号V 。
1.2压阻式加速度传感器的原理
本系统的信号检测电路采用压阻全桥来作为信号检测电路。
电桥采用恒压源供电，桥压为e U 。设2R 、4R 为正应变电阻，1R 、3R 为负应变电阻，则电桥的输出表达式为:
()()
24131423SC e R R R R U U R R R R -=++
我们在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性，因此可以认为有的压敏电阻和压敏电阻的变化量都是相等的，即:
1234R R R R R ====
1234R R R R R ?=?=?=?=?
则电桥输出的表达式变为:
SC e R U U R
?=
1.2.1 敏感原理
本论文采用的是压阻式信号检测原理，其核心是半导体材料的压阻效应.压阻效应是指当材料受到外加机械应力时，材料的体电阻率发生变化的材料性能。晶体结构的形变破坏了能带结构，从而改变了电子迁移率和载流子密度，使材料的电阻率或电导发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
L R S
ρ= 式中，ρ电阻丝的电阻率;L 电阻丝的长度;S 电阻丝的截面积。
当电阻丝受到拉力F 作用时，将伸长L ?，横截面积相应减少S ?,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变ρ?，故引起电阻值变化R ?。对全微分，并用相对变化量来表示，则有
R L S R L S ρρ
????=-+
式中的()/L L ε?=为电阻丝的轴向应变.常用单位()61110/mm mm μεμε-=?。若径向应变为/r r ?，由材料力学可知()//r r L L μμε?=-?=-，式中μ为电阻丝材料的泊松系数，又因为()/2/S S r r ?=?，代入式可得
()/12/R R μερρ?=++?
灵敏系数为
()1112dR d GF R ρμεερ
==++ 对于半导体电阻材料，()/12ρρμε?+ ，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要由/ρρ?引起，即//R R ρρ?≈?可见，压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应而工作的。
1.2.2 压阻系数
最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P 型或N 型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。
压阻效应的强弱可以用压阻系数π来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。晶轴坐标系压阻系数的矩阵可写成
111212121112121211444444000000000000000000000000ij πππππππππππππ????????=????????????
由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有11π、12π、44π三个。11π称为纵
向压阻系数;12π称为横向压阻系数;44π称为剪切压阻系数.必须强调一下，11π、12π、44π是相对于晶轴坐标系三个晶轴方向的三个独立分量。有了晶轴坐标系的压阻系数之后，就可求出任意晶向的纵向压阻系数z π及横向压阻系数h π。设某晶面的晶向的方向余弦为1l 、1m 、1n ，其某一横向的方向余弦为2l 、2m 、2n ，则可求出:
()()
()()2222221111124411111122
2222121112441212122z h l m m n l n l l m m n n ππππππππππ=---++=+--++
如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力h σ的作用，则在此晶向上(必须是电流流过方向)的电阻率相对变化，可按下式求得:
/z z h h R R πσπσ?=+
此式说明，在同一晶体上/R R ?由两部分组成，一部分是由纵向压阻效应引起的，一部分是由横向压阻效应引起的。下表给出了硅和锗中的独立压阻系数分量的值。
1.2.3 悬臂梁分析
悬臂梁根部的横向受力：
26z ml a bh σ=
质量块的质量m ；悬臂梁的宽度和厚度b ，h ；质量块中心至悬臂梁根部的距离l ；加速度a
悬臂梁的电阻的相对变化率：
4423/z z h h ml R R a bh
πσπσπ?=+=
1.3 MEMS 压阻式加速度传感器制造工艺
为加工出图示的加速度传感器,主要采用下列加工手段来实现。采用注入、推进、氧化的创新工艺来制作压敏电阻；采用KHO 各向异性深腐蚀来形成质量块；并使用AES 来释放梁和质量块；最后利用键合工艺来得到所需的“三明治”结构。
（使用的是400μm 厚、N 型(100)晶向、电阻率p=2-4Ω的双面抛光硅片。）
1.3.1结构部分 300
第一次光刻，反应离
二次光刻，反应离子
浓硼扩散，工艺内容
包括清洗、扩散、低
温氧化、漂氧化硅、
第三次光刻，反应离
第七次刻蚀，反应离
1.3.2硅帽部分
1.3.3键合、划片
2 电容式加速度传感器
电容式加速度传感器，在工业领域有着广泛的应用，例如发动机，数控车床等等。它具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。
2.1电容式加速度传感器原理
电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度)，还可以进一步测出压力。
2.1.1 电容器加速度传感器力学模型
电容式加速度传感器从力学角度可以看成是一个质量—弹簧—阻尼系统，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图一所示。
根据牛顿第二定律,对于该力学模型,可以列写出下列二阶微分方程：
22n mx
cx kx ma x x x a ζωω++=++= 其中22n c
k x m m
ζωω== 将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换,得
()()()2mx cs k X s mA s ++=
由此可得以加速度作为输入变量a ，质量块相对壳体位移s 为输出变量；传递函数为
()(
)22222112n n X s m A s ms cs k s s s ζωω===+++++
()()
()22
12n n X s G s A s s s ξωω==++ 可见,如果将传感器的壳体固定在载体上,只要能把质量块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度量。由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为
0ω=
传感器阻尼比为
ζ=从上式可以看出，当处于常加速度输入下的稳态时，其质量块相对壳体位移趋于如下稳态值：
20
ma a x k ω== 由上式可见，质量块越大，弹性系数越小，即系统无阻尼自振角频率越低，则电容式加速度传感器灵敏度越高。稳态灵敏度为：
21
static n m S k
ω== 2.1.2电容式加速度传感器数学模型
当加速度0a =时，质量块位于平衡位置，两差动电容相等，即
1200
A C C C d ε=== 当加速度a 不为0 时，质量块受到加速度引起的惯性力产生位移x ，两差动电容间隙分别变为
10d d x =-
20d d x =+
100011/A C C d x x d ε=
=-- 2000
11/A
C G d x x d ε==++ 可得差动方式时总的电容变化量为
12000000112x x x C C C C C C d d d ?????=-=+--= ? ?????
质量块由于加速度造成的微小位移可转化为差动电容的变化，并且两电容的
差值与位移量成正比。可得输入加速度a 和差动电容变化的关系为
20
ma a x k ω== 02002C a C d ω?=
由加速度变化到敏感电容变化的灵敏度为
002Cd k a C m
?= 电容式加速度传感器的分辨率受到电容检测电路分辨率的限制，分辨率为
200min min min 00
22n d d a k C C mC C ω=?=?
2.2电容式加速度传感器的构造
2.2.1机械结构布局的选择与设计
当前大多数的电容式加速度传感器都是由三部分硅晶体圆片构成的，中层是由双层的SOI 硅片制成的活动电容极板。如图一所示，中间的活动电容极板是由八个弯曲弹性连接梁所支撑，夹在上下层两块固定的电容极板之间。提高精度很重要的一项措施就是采用差动测量方式，极大地提高了信噪比。因此，电容式MEMS 加速度传感器几乎全部采用差动结构。
电容式Mems加速度传感器的结构布局
1．基本结构的选择
电容式MEMS加速度传感器有许多种机械结构，。选择好的机械结构，将有助于满足和提高传感器的性能，如固有频率、量程、机械强度、对载荷的响应等等。另外，微加速度计的结构尺寸除了要满足上述条件外，随着尺寸的缩小，一些在运动中起主导作用的因素将发生变化。比如静电力、分子之间的相互作用力、空气产生的阻尼力等，这些在宏观中被忽略掉的因素将是影响微结构性能的主要因素。因此在设计中也应该把这些因素考虑在内。在进行结构设计时，要考虑的主要约束条件有：
a.量程具有一定的量程是设计加速度传感器的主要目的。通过结构设计、材料力学等来分析传感器的最大测量范围。
b.刚性约束条件要求加速度计在惯性力的作用下，悬臂梁或者挠性轴的最大挠度应小于材料所允许的最大相对挠度。
c.弹性约束条件要求悬臂梁或者挠性轴上的应力不超过材料本身的许用应力，以保证结构工作在弹性范围内。
d.谐振频率约束加速度计相当于一个低通滤波器，为了保证有足够宽的工作频率，希望加速度计的谐振频率尽可能高些。但是，谐振频率又不能太高，以保证有较高的灵敏度。因此，总是希望加速度计的谐振频率在一定的范围内。
2.弹性梁的选择
弹性梁的设计在MEMS加速度计中是十分关键的一个部分，其结构直接影响
到传感器的量程、分辨率、横向灵敏度、抗高过载能力等参数(梁的基本结构如表1所示)。合理选择梁的结构类型，是设计中的关键。表2列出了不同弹性梁与质量块组合时的性能特点。
3.过载保护结构的设计
硅微弹性梁作为MEMS器件的基本组成部分，它的几何尺寸和材料属性会直接影响微器件的工作性能、抗高过载能力，以及结构稳定性。高过载条件下微结构的受力形式主要表现为惯性力，而惯性力作为外力作用在构件上时，产生构件内力，且内力会随冲击加速度的增加而增大，当冲击加速度达到某一限度时，就会导致微结构破坏。若要保证MEMS加速度计在高过载条件下不失效，则组成的MEMS加速度计的微构件必须满足：足够的抵抗破坏能力、足够的抵抗变形能力和保持原有平衡状态的能力。而这些要求均与材料的力学性能有关。材料的力学性能指标主要包括：比例极限(弹性极限) σp、屈服极限σs、强度极限(抗拉强度)σb、弹性模量E、延伸率δ和断面收缩率Ψ等。因此在结构设计中，常采用止挡块结构来限制敏感质量块运动的最大位移。
2.3.2材料的选择
MEMS加速度计用到的材料比较多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做衬底的衬底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的牺牲层材料等等。微加速度计常用的材料有单晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具体哪种材料用于哪一部分不是固定的，需要在设计过程中根据其物理
化学性质以及在加速度计中的作用加以综合考虑。因为该传感器动态要求比较高，因此在进行完结构设计，得到结构的尺寸以后，进行有限元分析是必不可少的。运用有限元分析软件ANSYS对加速度计模型进行分析，可以得到下面的结果：
(1)进行静力分析，可以发现承受应力最大的部位。
(2)进行模态分析，可以得到结构的固有频率和各固有频率下的振型。
(3)进行瞬态动力学分析，可以得到结构对外界激励的响应。
通过以上有限元分析的结果，可以进一步改进设计，使所设计的加速度计具有更好的性能。
2.3.3工艺的选择
电容式MEMS加速度计的工艺一般采用的有：表面工艺、体硅工艺、LIGA 工艺及SOI+DRIE工艺等。如表3对这几种工艺进行了对比。
表面工艺是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种微工艺，只进行单面光刻。它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种微结构。主要包括牺牲层淀积、牺牲层刻蚀、结构层淀积、结构层刻蚀、牺牲层去除(释放结构)等。最后使结构材料悬空于基片之上，形成各种形状的二维或三维结构。
体硅工艺是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上用到键合或粘接技术，将硅的键合技术和体硅加工方法结合起来。硅的微结构经过多次掩膜、单面或双面光刻以及各向异性刻蚀等工艺而成，然后将有关部分精密对准键合成一整体。体硅加工工艺过程比硅表面加工复杂，体积大，成本高。
SO1+DRIE工艺是体硅工艺的一种延伸与发展。利用绝缘体上硅(SOI)制造单晶硅三维微结构是最近几年发展异常迅速的方法。利用SOI制造微结构的方法几乎都是利用DINE(深反应离子刻蚀)对单晶硅进行深刻蚀。根据结构的不同、性能要求等可采用正面结构释放和背面结构释放。
2.3.4具体构造及加工工艺
工艺过程中所选取的都是n-type（100）的，两层镜面的SOI硅晶层，处理层厚度800 ±25μm，设备层厚度为30μm，氧化层厚度为2μm，图案化淹模要以<110>的晶向排列，前后面精度分别为1.5μm和3μm。湿法刻蚀的KOH浓度是40%，温度保持在50度。具体步骤由图二所示
电容式加速度传感器制造过程
（a）确定上下极板间的电容间距（b）用KOH对两面的SiO2进行湿法刻蚀（c）等SiO2层被去除，新的氧化层会在两面重新生成，继续用KOH进行湿法刻蚀直到SiO2层被完全去除（d）在两面涂上光刻胶作为湿法刻蚀的梁结构（e）去除光刻胶以后两面重新被氧化生成SiO2，随后再EVG-100覆盖（f）利用剩下的光刻胶进行刻蚀然后移除光刻胶（g）等刻蚀完成，对称梁结构形成（h）利用对称结构确认中间梁位置（i）上下两层形成2μm的SiO2对称氧化层来隔绝上中下三层（j）随后通过梁结构中间层与上下层连接（K）控制480度的粘接温度随后在1100度下保存一小时。
3 其他加速度传感器
3.1 光波导加速度计
光波导加速度计的原理如下图所示：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部分分别通入波导4和波导2，进入波导4的一束直接被探测器2探测，而进入波导2的一束会经过一段微小的间隙后进入波导3，最终被探测器1探测到。有加速度时，质量块会使得波导2弯曲，进而导至其与波导3的正对面积减小，使探测器1探测到的光减弱。通过比较两个探测器检测到的信号即可求得加速度。
3.2微谐振式加速度计
谐振式加速度计，Silicon OscillatingAccelerometer，简称SOA。
一根琴弦绷紧程度不同时弹奏出的声音频率也不同，谐振式加速度计的原理与此相同。振梁一端固定，另一端链接一质量块，当振梁轴线方向有加速度时梁会受到轴线方向的力，梁中张力变化，其固有频率也相应发生变化。若对梁施加一确定的激振，检测其响应就可测出其固有频率，进而测出加速度。激振的施加和响应的检测通常都是通过梳齿机构实现的。
SOA的特点在于，它是通过改变二阶系统本身的特性来反映加速度的变化的，这区别与电容式、压电式和光波导式的加速度计。
SOA常见的结构有S结构和双端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）两种。S结构原理图如下图所示，DEFT式就是在质量块的另一半加上和左边对称的一套机构。DEFT是目前SOA的主流结构。
常用传感器的工作原理及应用
3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1．电阻应变效应 ○
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2．电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4．电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 一
二 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 （2）应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 （3）应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 （4）应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时， 电容量C 也随之变化。 d S C ε=
各种温度传感器分类及其原理
各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。众所周知，日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化，在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1.热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体A和B 组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO,称为自由端(也称参考端或冷端，则回路中就有电流产生，如图2-1(a所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向， 称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决 于电流相对于温度梯度的方向，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同 的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。 温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势， 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。 无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势：热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时，在断开处a，b 之间便有一电动势差△ V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图 2-1(b所示。并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B 为负极。实验表明，当△ V很小时，△ V与厶T成正比关系。定义△ V对厶T 的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。
机电一体化技术常用传感器及其原理 班级：机械设计制造及其自动化姓名： 学号：
一、传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1．电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2．磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参
数的测量。
3．光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4．电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5．电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。 6．半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7．谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。 8．电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光
Pellistoren Pellistors使用催化燃烧来测量可燃气体或蒸气在空气的含量直到达到该气体的LEL*。 标准传感器包括一对元件，主要指典型地指探测器和平衡器（参照元件）。探测器包括一颗催化材料的小珠子和其中埋置的铂金导线卷。平衡器和探测器很类似，但小珠子不具有催化作用所以是惰性的。 Figure 1 - Pellistors 两个元件通常被管理在Wheatstone桥梁电路中，如果探测器的阻力与平衡器不同，将导致产品只有输出。 500-550°C的恒定直流电压通过搭桥对元件加热，只有在探测器元件上可燃气体才被氧化，增加的热量会加大电阻，产生的信号与可燃气体的浓度成比例。平衡器帮助平衡四周温度、压力和湿度。 大多数pellistors中的元件被分开放置在金属罐中。在一台完整的气体探测器中（被用于可能爆炸的大气），金属罐通常被放在耐火封套中，这种耐火封套通常由金属多孔状淀土和外套组成。这种封套可以保证气体能到达传感器，但热的传感器元件不会点燃该易爆的气体混合物。因为这种设计十分重要，所以这种封套通常经符合国家标准的特许测试机构检验合格。在不同的国家，这种检测很可能费时及相当昂贵的过程。作为另一种选择，我们提供的完整的探测器将两个元件放入了耐火封套，并符合最新的欧洲（ATEX）并且北美（CSA & UL）标准。 对易爆大气的测量依赖于对可燃气体低于LEL浓度的精确测量。所以在该安全应用中，通常不考虑气体浓度。该测量通常被表示为气体LEL浓度的百分比（%LEL）。
多数可燃气体检测技术用于检测多种气体，理想化的传感器应该是不同的气体有不同的测量结果。但实际上不同的化学形态影响了测量的结果，催化氧化传感器也没有例外。因此，pellistor对不同气体的相同浓度做出的判断是不同的，但当暴露在相同%LEL 浓度的不同气体中时，输出信号的变化相对小于其它检测技术。但因为此安全应用重视%LEL测量也使其成为主要优势。 我们将不同气体产生同样%LEL浓度命名为“相对敏感性”。我们进行了许多实验为CiTipeLs确定一定范围内可燃气体“相对敏感性”的实验价值。 催化毒 某些物质对催化传感器负面影响，有两种可能性： 毒 一些化合物会分解在催化剂并在催化剂表面形成坚实的屏障，这种分解是逐渐形成的，而长时期的曝光会导致传感器的敏感性发生无法恢复的减退。典型的毒物是有机铅和硅化合物。 被抑制 某些其他化合物，特别是硫化氢和被卤化的碳氢化合物，会被被吸收、或形成由催化剂吸收的化合物。这种吸收作用很强大，会使得催化剂的反应点被封闭而造成正常反应被迫停止。由于这种原因造成的传感器敏感性损失是暂时的，大多数情况下放在干净的空气中一段时间后，传感器将恢复工作。 大多数化合物属于上述两类中的一个，可能有些表现出更大或更小的程度。在毒化或被抑制可能存在的应用中，CiTipeLs产品应该被避免暴露于它们不能抵抗的所有化合物中。 LEL说明 * 气体的LEL是指用火源使空气中的该气体爆炸的最低气体浓度。
市场上常见的压力传感器的种类及原理分析 什么是压力传感器呢?压力传感器是指将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流信号(4~20mADC)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节的元器件。它主要是由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成的（进气压力传感器）。 那么压力传感器的种类有哪些呢?就目前市场而言，压力传感器一般有差压传感器、绝压传感器、表压传感器，静态压力传感器和动态压力传感器。对于这几者之间的关系，我们可以这样定义定义：差压是两个实际压力的差，当差压中一个实际压力为大气压时，差压就是表压力。绝压是实际压力，而有意义的是表压力，表压力=绝压-大气压力。静态压力是管道内流体不流动时的压力。动态压力可以简单理解为管道内流体流动后发生的压力。 根据不同的方式压力传感器的种类也不尽相同。小编通过搜集整理资料，将与压力传感器的种类相关的知识做如下介绍，下面我们来看具体分析。 1.扩散硅压力传感器 扩散硅压力传感器工作原理是被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 扩散硅压力传感器原理图 2.压电式压力传感器 (1)压电式压力传感器原理 压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。 (2)压电式压力传感器的种类与应用 压电式压力传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。 现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料，压电效
各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化, 在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1. 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为 T ,称为工作端或热端,另一端温度为 TO ,称为自由端 (也称参考端或冷端,则回路中就有电流产生,如图 2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一, 当有电流流过两个不同导体的连接处时, 此处便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 , 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量 (取决于电流相对于温度梯度的方向 ,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T, T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关, 而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势, 热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处 a , b 之间便有一电动势差△ V ,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时, 称 A 为正极, B 为负极。实验表明,当△ V 很小时,△ V 与△ T 成正比关系。定义△ V 对△ T 的微分热电势为热电势率, 又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 2. 热电偶的种类
《常见传感器的工作原理》教学设计 山东版高中物理选修3-２第六章第二节 福建省建阳一中李瑜 一.教学思路：根据《课程标准》强调对传感器教学应侧重从技术应用的角度展示物理,强调物理学科与技术的结合,着重体现物理学的应用性、实践性。本课的教学思路是通过创设问题情境，引发对传感器工作原理的探究,进入新课教学。整节课以实验贯穿始终,通过对实验的观察、思考和探究,了解什么是光电传感器、温度传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，并抓住这一共性原理特征，使学生学会利用传感器的工作原理设计、制作简单的自控装置。但由于学生思维能力发展上的不成熟性，还不能成为完全独立的探究主体等特点,本节课的实验探究过程是在教师引导和启发下，学生独立思考、主动探索的过程。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用,进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。本节课计划用2课时完成,该教学设计为第一课时。 二.教学重点：实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性，理解传感器是如何将非电学量转变为电学量的 三．教学难点：本节的教学难点是设计简易温度报警器。虽然原理比较简单,但要学生独立设计出来却不容易。本教学难点的突破应在学生对光电报警电路原理的充分理解和熟知热敏电阻的阻值特性的基础上，通过提升传感器控制电路的共性特征，使设计简易温度报警器的难度降低，水到渠成。 四．教学目标：通过对光敏电阻阻值特性、热敏电阻阻值特性的实验探究，让学生在了解传感器是如何将非电学量转变为电学量的基础上，学会利用传感器设计简单的自控装置。在此过程中让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。通过动手实验，激发学生的学习兴趣，拓
第3章常用传感器的工作原理及应用 3．1电阻式传感器 填空： 1、常用的电阻应变片分为两大类：和。 2、金属电阻的是金属电阻应变片工作的物理基础。 3、金属电阻应变片有、及等结构形式。 4、电位器式传感器都是由、和三部分构成。 5、半导体应变片是利用半导体材料制成的一种纯电阻性元件。 6、半导体应变片与金属电阻应变片相比较: 其灵敏度更高，温度稳定性差。 7、弹性元件在传感器中起什么作用？ 8、试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。 9、绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。 10、电阻应变片阻值为120Ω，灵敏系数K＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的112 μ=。求钢柱受10t拉力作用时，应 E N m 210 =?，0.3 变片的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？ 11、采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的 固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1με和1000με时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 3.2电容式传感器 1、电容式传感器采用作为传感元件，将不同的变化转换为的 变化。 2、根据工作原理的不同，电容式传感器可分为、和三种。 3、电容式传感器常用的转换电路有：、、运算放大器
电路、 和 等 。 4、电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。 5、试分析电容式物位传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措 施并应注意什么问题？ 6、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线 性特征？ 7、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。传感器的起始 电容量pF C x 200=，定动极板距离mm d 5.10=，pF C 100=，运算放大器为 理想放大器（即∞→∞→i Z K ，），f R 极大，输入电压t u i ωsin 5=V 。求当 电容传感器动极板上输入一位移量mm x 15.0=?使0d 减小时，电路输出电压 0u 为多少？ 8、 如图所示正方形平板电容器，极板长度cm a 4=，极板间距离mm 2.0=δ。 若用此变面积型传感器测量位移x ，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，m F /1085.8120-?=ε。 9、一电容式传感器的两个极板均为边长为10cm 的正方形，间距为1mm ，两极板 间气隙恰好放置一边长为10cm ，厚度为1mm ，相对介电常数为4的正方形介质。该介质可在气隙中自由滑动。若用该电容式传感器测量位移， 试计算当
常用压力传感器原理及结构介绍 常用压力传感器简介 振膜式谐振压力传感器 振膜式压力传感器结构如图(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力 p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为 f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。 在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图(b)所示 压电式压力传感器 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系： Q=kSp 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电 元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。