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压阻式传感器 PPT

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电阻式传感器精品PPT课件

电阻式传感器精品PPT课件
6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入

压阻式压力传感器

压阻式压力传感器

掩膜版
步骤四：标准淡硼预扩散或离子注入，在经过标准再分布或退火 形成方块电阻率在80-250W可控的压阻，结深1-3微米。
• 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终不变。
• 有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先淀积一层杂质，在 整个扩散过程中以这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源 补充。
1 硅片的清洗处理
2涂胶：涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
3 前烘：经过甩胶之后的光刻胶虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但含有10%~ 30%的溶剂，容易沾染灰尘。通过在较高温度下进行烘焙，使溶剂从光刻胶中挥发出来。 4 对准与曝光：曝光的光源为紫外光的汞灯，形成平行光束垂直照射到硅片上。受到光照 的光刻胶发生光化学反应，其内部分子结构发生变化。 5 显影：把曝光后的基片放在显影液里，将应除去的光刻胶膜溶除干净，以获得所需要 光刻胶的图形。
2）湿氧氧化：氧气通过盛有950C高纯去离子水的石英瓶后携带水汽到硅片 表面发生氧化反应： Si+O2SiO2 Si+2H2OSiO2+2H2 优点：生长速率较快；缺点：与光刻胶粘附性不好。
（3）氢氧合成氧化：在常压下分别是将纯H2 和纯氧直接通入石英管内，使之在一定温度燃 烧生成水，水在高温下氧化后与硅反应生成 SiO2，生长速度比湿氧快，膜质量好、纯度高。
• 两步扩散：实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，在
这样的温度范围内，常用杂质，如硼、砷等在硅中的固溶度
随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低表面
浓度的杂质分布形式。实际生产中将扩散过程分为两步完成。
其中第一步称为预扩散或者预淀积，第二步称为主扩散或再

常见压力传感器原理PPT课件

常见压力传感器原理PPT课件
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常见压力传感器原理
清醒于事前，防范于未然，绳子总在磨损地方折断，事故常在薄弱环节出现。
开始啦！请将手机调成静音，如有疑问可以随时打断我！
前言
随着自动化技术的进步，在工业设备中，除了液柱 式压力计、弹性式压力表外，目前更多的是采用可 将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么 这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为 电信号的呢？不同的转换方式又有什么特点呢？今 天仪控君为大家汇总了目前常见的几种压力传感器 的测量原理，希望能对大家有所帮助。
三电容式压力传感器
电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力 传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极， 当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路 即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器 ，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
二压阻压力传感器
压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，电 桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。 若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器 的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再 经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿 ，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA的标准输出信号。 为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施 使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。
一压电压力传感器

第 十五 章 压阻式传感器

第 十五 章 压阻式传感器

3
<011> <001> <011>
<010>
<010>
2
<011>
<001>
<011>
三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与杂质浓度的关系 、
P型Si（π44) 型 （
π11
或
π44
N型Si（π11) 型 （ 表面杂质浓度N 表面杂质浓度 s（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小 扩散杂质浓度增加， 扩散杂质浓度增加
分析
• • • • • • 正向压阻系数相等 横向压阻系数相等 剪切压阻系数相等 切应力不可能产生正向压阻效应 正向应力不可能产生剪切压阻效应 剪切应力只能在剪切应力平面内产生压 阻效应
压阻系数矩阵
0 0 π 11 π 12 π 12 0 π π 11 π 12 0 0 0 21 π 12 π 12 π 11 0 0 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 π 44 0
– π44 ≈0 ， π12 ≈ -1/2π 11、 ， 、
关于方向余弦
某晶向<x,y,z>的方向余弦为： 的方向余弦为： 某晶向 的方向余弦为
l= m= n= x x +y +z
2 2 2
= cos α = cos β = cos γ
y x +y +z
2 2 2
z x2 + y2 + z2
例1：计算（100）晶面内〈011〉 ：计算（ ）晶面内〈 〉 晶向的纵向与横向压阻系数
∴

第8章压阻式传感器

第8章压阻式传感器

π l = π 11 − 2 (π 11 − π 12 − π 44 ) l12 m 12 + n12 l12 + m 12 n12
2 2 2 2 π t = π 12 + (π 11 − π 12 − π 44 ) l12 l 2 + m12 m2 + n1 n2
(
(
)
)
式中 分别为压阻元件的纵向、 分别为压阻元件的纵向 π11、 π12、 π44——分别为压阻元件的纵向、横向及剪切向压 阻系数，是硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 阻系数，是硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 l1、m1、n1——分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的 分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的 方向余弦； 方向余弦； l 2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的 分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的 方向余弦； 方向余弦
式中 压阻元件的电流方向垂直。 压阻元件的电流方向垂直。
∆R = π lσ l + π t σ t + π s σ s R
8.3 压阻系数
当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时， 当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为
∆ R R = π
lσlຫໍສະໝຸດ + πtσ
t
在此情况下， 在此情况下，式中的πl、πt 值可用π11、π12、π44表示为
8.2 晶向的表示方法
（2）法线式
x cos α + y cos β + z cos γ = p − − − − − −(2)
p －－－法线长度 －－－法线长度
cos α , cos β , cos γ －－－法线的方向余弦，也可 －－－法线的方向余弦 法线的方向余弦，

《压力传感器》课件

《压力传感器》课件

压力传感器的维护与保养
定期检查
定期检查压力传感器的外观、连接线路和电 源等，确保其正常工作。
清理与保养
根据需要，定期清理压力传感器的表面污垢 和杂物，保持其清洁状态。
校准与调整
定期对压力传感器进行校准和调整，以确保 其测量精度和稳定性。
更换损坏元件
如发现压力传感器内部元件损坏，应及时更 换，以避免影响其正常工作。
根据精度要求选择
根据实际应用对测量精度的要求，选 择具有适当分辨率和误差范围的压力
传感器。
根据测量范围选择
根据所需测量的压力范围，选择量程 合适的压力传感器，以确保测量精度 和稳定性。
根据环境因素选择
考虑使用环境的影响因素，如温度、 湿度、振动等，选择能在恶劣环境下 稳定工作的压力传感器。
压力传感器的安装与使用
多功能化
在微型传感器中集成多种功能模块， 如温度、湿度等，实现多参数测量。
无线压力传感器的发展趋势
无线通信技术
采用无线通信技术，实现传感器与接收器之 间的数据传输，提高监测系统的灵活性和可 靠性。
能量管理
优化传感器能量管理技术，提高传感器续航 能力和稳定性，满足长期监测需求。
THANKS
感谢观看
压力传感器的分类
01
根据工作原理，压力传感器可分为电阻式、电容式、电感式和 压电式等类型。
02
根据输出信号，压力传感器可分为模拟输出和数字输出两种类
型。
根据使用环境，压力传感器可分为工业、医疗、气象、航空航
03
天等类型。
压力传感器的应用领域
压力传感器广泛应用于工 业自动化、智能家居、医 疗设备、汽车电子等领域。
03
CATALOGUE

压阻式传感器

所以，压阻传感器使用时必须进行温度补偿。
（4）压阻式传感器的应用
压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力 传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化， 已有直径为0.8mm的压力传感器。
➢ 恒流工作测压电路
传感器为需恒流1.5mA驱 动的扩散硅绝对压力传感器。
当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的 电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片 所受压力差值。
(a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。
（3）压阻式传感器的温度漂移
由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化 影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。
半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载 流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。
❖ 半导体应变片的制作方法
1. 将半导体材料按所需晶向切割成片或条，
粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅
使用，称作“体型半导体应变片”。
2. 将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。
（1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理 （3）压阻式传感器的温度漂移 （4）压阻式传感器的应用
（1）半导体材料的压阻系数
材料电阻的变化为
R 1 2
R
对半导体材料， 1 2 ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化
可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即 R
❖ 半导体电阻应变片的测量电路
一般采用直流电桥电路，但须 采用温度补偿措施，如图所示。

压阻及压电传感器


结束
c.流量传感器——压电流速传感器
压电式微加速度计
压电式微加速度计 具有测量范围宽、 启动快、功耗低、 直流供电、抗冲击 振动、可靠性高等 显著优点，在惯性 导航系统中有着广 泛的应用。
敏感质量 壳体
m 压电晶体
敏感轴方向
压电式微加速度计原理示意图
P阱电阻
焊盘
输出
Vdd FET 放大器
源极
传感电容 比较电容
N型（电阻率 =11.7Ωcm） -102.2
53.4
-13.6
P型（电阻率 =7.8Ωcm） 6.6
-1.1
138.1
应变方向 <100> <100> <110> <110> <111>
电流方向 <100> <010> <100> <1-10> <111>
结构 纵向 横向 纵向 横向 纵向
压阻系数
pxeipxei挠度应力whydx阻尼比微传感器实例压阻式压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线第一个微加速度计的剖面结构示意图基座基座东南大学研制的压阻式大加速度计在同一块芯片上设计了两种结构传感器单悬臂梁和双悬臂梁结构单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计东南大学压阻式微加速度计样品sem照片美国icsensor公司生产的压阻式加速度计最早的微机械加工的应变式加速度传感器的实例之一是roylance和angell在1979年制作的器件用于生物医疗植入以测量心壁加速度
实例5.2
最早的微机械加工的应变式加速度传感器的实例之一 是Roylance和Angell在1979年制作的器件，用于生物 医疗植入，以测量心壁加速度。这个应用要求在100Hz 的带宽内灵敏度约为0.01g,且要求小的传感器尺寸。

第8章 压阻式传感器


三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与表面杂质浓度的关系
P型Si（π44)
π11
或
π44
N型Si（π11)
表面杂质浓度Ns（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数减小
17
18
解释：


1
ne
•ρ：电阻率 • n：载流子浓度 •e：载流子所带电荷 •μ：载流子迁移率
•Ns↑→杂质原子数多→载流子多→ n↑→ρ↓
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
1,1,1
1,1,1 1,1,1
2, 2,1
2, 2,1 2, 2,1
11
例： （特殊情况）
z
0,0,1
1,0,0
0,1,0
y
x
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
R R
l
E
l
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率ρ的变化是由应变引起的
由于微电子技术的进步，四个应变 电阻的一致性可做的很高，加之计 算机自动补偿技术的进步，目前硅 压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传 感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
压阻效应
R (1 2)
R

金属材料 半导体材料
半导体电阻率

＝
第八章 压阻式传感器
• 1 半导体的压阻效应 • 2 压阻式压力传感器原理和电路
• (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿 • 3 压阻式传感器的应用
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1 半导体的压阻效应

半导体压阻式传感器 ——在液位测量上的应用课件


PPT学习交流
16
投入式液位计液位的计算：
安装高度h0处水的表压 p1=gh1
h=h0+h1=h0+p1 /（g）
例：液位计安装高度为1m，测得压力 为98kPa，求水的深度。
PPT学习交流
17
有的传感器采用较大内孔和法兰连接方式，适用于
非密封场合，尤其是具有粘稠或浆状介质等特性的
液体，或富含颗粒类介质的测量，不易堵塞，便于
PPT学习交流
6
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压 膜片可以将腐 蚀性的气体、 液体与硅膜片 隔离开来。
PPT学习交流
7
压阻式固态 压力传感器 内部结构
信号处理电路
PPT学习交流
8
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
PPT学习交流
9
小型压阻式固态压力传感器（续）
什么叫压阻效应？
在半导体材料上施加一作用力时，其电 阻率将发生显著的变化，这种现象称为压阻 效应。
PPT学习交流
2
PPT学习交流
3
（二）什么是扩散硅压力传感器
利用压阻效应原理，采 用三维集成电路工艺技术及 一些专用特殊工艺，在单晶 硅片上的特定晶向，制成应 变电阻构成的惠斯顿检测电 桥，并同时利用硅的弹性力 学特性，在同一硅片上进行 特殊的机械加工，集应力敏 感与力电转换检测于一体的 这种力学量传感器，以气、 液体压强为检测对象，也称 为固态压阻传感器 。
变化，对于温度的影响可以进行补偿。对于零位温漂，
可以 串、并联电阻进行补偿；对于灵敏度温漂可以串
联二极管进行补偿串联。PPT学习交流
23
（三）常见的商用扩散硅压力变送器
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利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电 阻，也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有 两类：一种是利用半导体材料制成黏贴式的应 变片；另一种是在半导体的基片上用集成电路 的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也 叫扩散型压阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线， 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。
r
3p 8h2
[(1)r02
(3)r2]
t
3p 8h2
[(1
)r0，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
3.2 扩散型压阻式压力传感器特点
优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好， 灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好， 滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。
压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体 积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度 误差较大，必须要有温度补偿。
1.1压阻效应
RR(1)
金属材料
半导体材料
半导体电阻率
＝
l
lEe
l
l
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶 向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等， 给使用带来一定困难。
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻 系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时 还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装） 薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。
基座
a
应变梁
质量块
5. 压阻式传感器的测量电路
5.1 压阻式传感器的测量电路
（1）恒压源供电
假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有
应力作用时，两个电阻的阻值增加，增加量为DR，
两个电阻的阻值减小，减小量为-DR；另外由于温
度影响，使每个电阻都有DRT的变化量。根据图，
电桥的输出为
A
UscUBDRRU(RRTRRRTR)RT
2.1 结构型式及特点
主要优点
• 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 • 横向效应和机械滞后极小 • 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
2.2 测量电路
如RT≠0时，则Usc与RT有关，也就是说与温度有 关，而且与温度的关系是非线性的，所以用恒压源供 电时，不能消除温度的影响。
RR(1l E)
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
RRl El
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的 变化是由应变引起的。
半导体单晶的应变灵敏系数可表示
KR/RlE
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而 减小
1.2 压敏电阻分类
压阻式传感器
1. 半导体的压阻效应 2. 体型半导体应变片 3. 扩散型压阻式压力传感器 4. 压阻式加速度传感器 5. 压阻式传感器的测量电路 6. 压阻式传感器的应用
1. 半导体的压阻效应
固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变化，所 有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。 当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻率将 发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。
3.1 结构类型
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片
采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直
接蒸镀半导体电阻应变薄膜
工作原理：
膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四 个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压， 电压与膜片两边的压力差成正比。
①普通型:它适合于一般应力测量； ②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种 因素自动抵消，只适用于特定的试件材料； ③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并 采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小； ④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧）,可接成电桥 以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。 ⑤超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域， 适用于大应变范围的场合； ⑥P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为 电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。
U(RRRT)
RRRT RRRT
R -R +RT
R +R +RT
B
R +R +RT D
U
R +R +RT
R
C
整理后得
Usc U RRT
Usc
如 RT = 0，即没有温度影响，则
Us c
U
R R
此式说明电桥输出与R/R成正比，即与被测量成 正比；同时又与U成正比，表明电桥的输出与电源电 压的大小与精度都有关。
恒压源
U 0U R /R ( R t)
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。
恒流源
U0 IR
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻 式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行 补偿。
4. 压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁， 如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁 自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到 弯矩作用，产生应力，使扩散四电个阻电阻阻值发生变化。