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第8章压阻式传感器

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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

安全监控监测原理复习题及对应答案

安全监控监测原理复习题及对应答案

在下手拙，粗略整理，答案还是挺长的，阅读一下，自行简要筛选要点，sorry！第一章安全监测系统1、安全监测的定义是什么？安全监测是运用现代科学方法，对人类赖以生存的安全状态进行定量的描述，同时尽可能灵敏并及时地收集到安全现状变化的信息和对人体健康有无异常变化的信息，在分析、评价这些资料的基础上尽早地采取具体有效的行动以保护人类的正常生存与发展这样一种体系。

2、安全监测的主要对象是哪些？安全监测的范围从广义上讲就是人类生存与活动的环境。

安全监测就是以影响这个自然环境的各种污染因子及其变化规律为研究对象的一门科学。

安全监测的具体对象有如下几个方面：1.大气安全监测：大气安全监测以大气中的污染因子为主要对象，监视并测定其含量，其中又可分为大气安全评价监测和大气污染源监测两种，目前已被列为大气污染物的已有百种以上，我国已有多种标准对大气污染物的最高允许浓度或最大允许排放量作了规定。

例如大气环境质量标准对总悬浮微粒、飘尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、光化学氧化剂等6种物质的浓度标准作了限制性规定；2.水污染监测：水污染监测与大气污染监测一样，也可分为环境水体监测与水污染源监测，环境水体包括地表水(江、河、湖、海)和地下水。

3.生态平衡监测(1)土壤污染监测：土壤污染主要是由工业废弃物和农用化学物质所引起的。

(2)生物污染监测：有必要对生物体内的污染物质进行监测，监测项目一般为重金属元素，有毒非金属元素，有机磷农药，卤代芳烃以及一些特殊的有毒化合物等。

4.能量污染监测：能量污染监测一般指热污染监测、噪声监测、振动监测、电磁波和放射性监测等，正常的生态系统都处在各种能量的一定水平影响之下。

第二章安全监测技术基础1、一个可供实用的传感器有哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图标示出你所理解的传感器系统。

传感器的组成按定义一般是由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。

除自源型传感器外，还需要外加辅助电源，用框图表示如图2-3所示。

检测技术与仪表智慧树知到答案章节测试2023年临沂大学

检测技术与仪表智慧树知到答案章节测试2023年临沂大学

第一章测试1.下面属于典型的自动化装置的是哪个选项（）。

A:控制器B:执行器C:测量仪表D:测量变送器答案:ABD2.下面哪项是检测技术的新的发展方向（）。

A:传感器、变送器的网络化产品B:智能传感器的发展C:微机械量检测技术D:成组传感器的复合检测答案:ABCD3.检测的目的就是获取被测对象的定量检测结果。

（）A:错B:对答案:A4.检测技术的发展能够推动科学技术的发展，同样，科学技术的发展也能推动检测技术的发展。

（）A:对B:错答案:A5.如果把人看做一个自动控制系统，人的大脑相当于系统中的（）。

A:传感器B:控制器C:执行器D:计算器答案:B第二章测试1.下面不属于电学法测量方法的是（）。

A:热电偶测温B:热电阻测温C:电容传感器测位移D:超声波测速答案:D2.利用弹簧秤称物体的重量属于（）。

A:闭环检测B:比较检测C:偏差法D:间接检测答案:C3.用光电池作为传感器，是属于能量变换型检测.（）A:错B:对答案:B4.对于一个物理量的检测，可以采用不同的敏感元件来实现。

（）A:对B:错答案:A5.用天平秤物体的重量，属于偏位式测量。

（）A:对B:错答案:B第三章测试1.要测量一个长度为1米的木板，小明用米尺测得长度为1.02米，相对误差为（）。

A:2%B:-2%C:0.02%D:-0.02%答案:A2.仪表精度等级越高，测量结果越准确。

（）A:错B:对答案:A3.下面对仪表的说法错误的是（）。

A:精度高的仪表重复性好B:再现性数值越小，仪表质量越高C:有效度越大，仪表可靠度高D:重复性好的仪表精度高答案:A4.一台测温仪表，其零点为-200℃，量程为500℃，它能测量的最高温度为（）。

A:500℃B:700℃C:-200℃D:300℃答案:D5.仪表的零点迁移后，其量程也随之迁移。

（）A:对B:错答案:B第四章测试1.一个温度为40℃的物体，其温度在华氏温度下为（）。

A:40℉B:94℉C:104℉D:72℉答案:C2.膨胀式温度计是利用液体的热胀冷缩特性做成的。

压阻式传感器

压阻式传感器

由半导体理论可知，硅和锗的纵向电阻率的相对变化
R

L
LE
πL ——沿晶向L的压阻系数（m2／N）；σ——沿晶向L的应力（N／m2）； E ——半导体材料的弹性模量（N／m2）；ε——轴向应变。
半导体材料的应变灵敏系数
R
KB
R

LE
如半导体硅，πL =（40~80）×10-11 m2／N，E = 1.67×1011N／m2 ，则 KB = 50~100。远比金属应变片灵敏系数 K = 2 大得多。
压力控制电路
须将油压控制在4.0~5.0MPa范围内，对应A1的输出为3.33~4.17V。 A2 、A3为电平比较器，
Uo > 3.33V时， A2输出高电平；
Uo < 3.33V时， A2输出低电平；
Uo < 4.17V时， A3输出高电平；
Uo > 4.17V时， A3输出低电平。 A2 、A3都为高电平时，油压才正常；油压过低时， A2输出低电平， J1改 变状态，报警并 可启动油泵加压； A3输出低电平， J2改变状态，报 警并可停止油泵 加压。
用于制作半导体传感器的半导体材料主要有：硅、锗、 锑化铟、磷化铟、砷化镓等，其中最常用的是硅和锗。
扩散型压阻式传感器一般简称为：压阻传感器、扩散硅。
（2）扩散型压阻式传感器的组成和工作原理
① 组成： 扩散型压阻式传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件
是一个周边固定支承的硅敏感膜片，即硅压阻芯片，因形状象杯故名硅杯。 上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，经蒸镀金属电极及连线， 接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连 接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。 ② 工作原理：

压阻式传感器 ppt课件

压阻式传感器 ppt课件

半导体单晶的应变灵敏系数可表示
K

R /

R


lE
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
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4
1.2 压敏电阻分类
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。
基座
扩散电阻
a
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应变梁
14
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，
ppt课件
5
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。
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。

压阻传感器原理

压阻传感器原理

压阻传感器原理
压阻传感器是一种常见的传感器，它的原理是利用材料的电阻随着受力的变化而发生变化。

当受到外力作用时，传感器内部的材料会发生形变，从而改变电阻值。

通过测量电阻值的变化，可以得到外力的大小。

压阻传感器的结构通常由两个电极和一个敏感材料组成。

敏感材料通常是一种导电材料，如碳、硅、铜等。

当外力作用于敏感材料时，敏感材料会发生形变，从而改变电阻值。

这种电阻值的变化可以通过电路进行测量。

压阻传感器的应用非常广泛，例如在汽车制造中，可以用于测量刹车踏板的力度；在医疗设备中，可以用于测量患者的呼吸和心跳；在机器人制造中，可以用于测量机器人的力度和位置等。

压阻传感器的优点是结构简单、价格低廉、易于制造和使用。

但是，它也有一些缺点，例如灵敏度较低、易受温度和湿度等环境因素的影响。

压阻传感器是一种常见的传感器，它的原理是利用材料的电阻随着受力的变化而发生变化。

它的应用非常广泛，但也有一些缺点需要注意。

传感器技术及应用 教学大纲

传感器技术及应用 教学大纲

传感器技术及应用——教学大纲一、课程基本信息课程编号：17z8315课程名称：传感器技术及应用Sensor Technology and Application学分/学时：3/42先修课程：主要有：物理、材料力学(工程力学)、电工基础、电子技术基础、自动控制元件、自动控制理论。

二、课程教学目的本课程是仪器科学与光电工程学院测控技术与仪器专业本科生的专业课。

其目标是：提供了解、使用、分析和初步设计常用传感器的敏感元件及系统的理论与实践基础，为后续其他专业课打下较坚实的基础。

三、课程教学任务通过本课程的学习，让学生了解传感器技术的发展现状、特点，在信息技术中的重要地位、作用；掌握信息获取范畴的广义理解；掌握常用传感器的基本工作原理，实现方式与结构；了解传感器技术在国防工业和一般工业领域中的典型应用；同时使学生能够在自动化系统、智能化系统中正确应用常用的传感器技术。

四、教学内容及基本要求本课程理论与实践紧密结合。

主要讲授传感器的性能评估，目前在工业领域中常用的几种典型的、有代表性的传感器的敏感元件的物理效应、变换原理、工作特性、主要结构、信号转换电路、误差及其补偿、合理应用等。

同时本课程也重视对新型传感器技术及应用的介绍。

传感器结构设计、工艺及所用材料只作一般介绍。

本课程主要内容可以分为三部分。

第一部分是关于传感器技术的基础理论与知识，共15个学时；第二部分是关于典型传感器的讨论，这是课程的重点，共21个学时；第三部分是关于近年来出现的新型传感器、应用示例的讨论，共6个学时。

教学的基本知识模块顺序及对应的单元教学任务。

五、教学安排及方式第1章绪论（6学时，基本掌握，讲授为主）1.1 传感器的作用与功能1.2 传感器的分类1.3 传感器技术的特点1.4 传感器技术的发展1.5 与传感器技术相关的一些基本概念1.6 本教材的特点及主要内容第2章传感器的特性（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）2.1 传感器静态特性的一般描述2.2 传感器的静态标定2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算第3章基本弹性敏感元件的力学特性（4学时，掌握，讲授为主）3.1 概述3.2 弹性敏感元件的基本特性3.3 基本弹性敏感元件的力学特性3.4 弹性敏感元件的材料第4章电位器式传感器（1学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）4.1 概述4.2 线绕式电位器的特性4.3 非线性电位器4.4 电位器的负载特性及负载误差4.5 非线绕式电位器4.6 典型的电位器式传感器第5章应变式传感器（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）5.1 应变式变换原理5.2 金属应变片5.3 应变片的动态响应特性5.4 应变片的温度误差及其补偿5.5 电桥原理5.6 典型的应变式传感器第6章压阻式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主）6.1 压阻式变换原理6.2 典型的压阻式传感器第7章热电式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅） 7.1 概述7.2 热电阻测温传感器7.3 热电偶测温7.4 半导体P-N结测温传感器7.5 其他测温系统第8章电容式传感器（1学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）8.1 基本电容式敏感元件8.2 电容式敏感元件的主要特性8.3 电容式变换元件的信号转换电路8.4 典型的电容式传感器8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题第9章变磁路式传感器（2学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）9.1 电感式变换原理9.2 差动变压器式变换元件9.3 电涡流式变换原理9.4 霍尔效应及元件9.5 典型的变磁路式传感器第10章压电式传感器（1学时，基本掌握，讲授为主）10.1 石英晶体10.2 压电陶瓷10.3 聚偏二氟乙烯10.4 压电换能元件的等效电路10.5 压电换能元件的信号转换电路10.6 压电式传感器的抗干扰问题10.7 典型的压电式传感器第11章谐振式传感器（6学时，基本掌握，讲授为主）11.1 谐振状态及其评估11.2 闭环自激系统的实现11.3 振动筒压力传感器11.4 谐振膜式压力传感器11.5 石英谐振梁式压力传感器11.6 谐振式科里奥利直接质量流量传感器第12章微机械与智能化传感器技术（5时，基本掌握，讲授为主，讨论为辅）12.1 概述12.2 几种典型的微硅机械传感器12.3 几种典型的智能化传感器12.4 若干新型传感器应用实例分析课程总结（1学时，讲授为主，讨论为辅）六、教学的基本思路“传感器技术及应用”教学以“一条主线、二个基础、三个重点、多个独立模块”的基本原则来进行。

压阻式传感器工程实践课件

压阻式传感器工程实践课件

根据上两式作出曲线（见图5.1-25）就可得圆形平膜片 上各点的应力分布图。当x=0.635r时，σr=0；x<0.635r 时，σr>0，即为拉应力；x>0.635r时，σr<0，即为压应 力。当x=0.812r时，σt=0，仅有σr 存在，且σr<0，即为 压应力。
σr 3P(1+μ) 8 r 2 h 0 σt
当坐标轴与晶轴方向有偏离时，再考虑到πsσs ， 一般扩散深度为数微米，垂直应力较小可以忽略。因 此电阻的相对变化量可由下式计算 dR （5.1-56） l l t t R 式中 πl、πt值可由纵向压阻系数π11、横向压阻系数 π12、剪切压阻系数π44的代数式计算，即
t 12 11 12 44 l l m m n n （5.1-58） 式中 l1、m1、n1——压阻元件纵向应力相对于立方 晶轴的方向余弦；l2 、m2 、n2——横向应力相对于立 方晶轴的方向余弦； π11、π12、π44——单晶硅独立的 三个压阻系数，它们由实测获得数据，在室温下，其 数值见表5.1-3。
σt
σr
2 3Pμ r 4 h
1
0.5
σt σr
3P r 2 4 h
图5.1-25
平膜片的应力分布图
下面结合图5.1-26讨论在压力作用下电阻相对变化的情 况。在法线为[1 1 0]晶向的N型硅膜片上，沿[1 1 0]晶 向，在0.635r半径的内外各扩散两个P型硅电阻。由于 [1 1 0]晶向的横向为[0 0 1]，根据其晶向，应用（5.157）、（5.1-58）两式可计算出πl及πt为
对半导体材料
dR 1 2 R d E
dR 1 2 E 1 2 R

测试技术与信息处理第章习题与答案

测试技术与信息处理第章习题与答案

一、判断题(本题共10分，对则打“√”，不对则打“×”)1．压电传感器的电压灵敏度及电荷灵敏度不受外电路的影响。

(√) 2．将传感器做成差动式可以提高灵敏度、改善非线性、实现某些补偿。

(√) 3．压电式传感器在后接电荷放大器时，可基本消除电缆电容的影响，而且可以实现对变化缓慢的被测量的测量。

(√) 4．只要保证两组相对桥臂阻抗大小之积相等这一条件，就可使直流电桥及交流电桥达到平衡。

(×) 5．磁电式传感器由于存在运动部分，因此不能用于高频测量。

(×) 6．测量小应变时，应选用灵敏度高的金属应变片；测量大应变时，应选用灵敏度低的半导体应变片。

(√) 7．由于霍尔式传感器输出的霍尔电势与控制电流及所处的磁场强度的乘积成正比，因此可用作乘法器。

(√) 8．压电式传感器的电荷灵敏度与外电路（连接电缆、前置放大器）无关，电压灵敏度则受外电路的影响。

(√) 9．用差动变压器式电感传感器测量位移时，直接根据其输出就能辨别被测位移的正负极性。

(×) 10．半导体应变片的灵敏度比金属应变片高，线性和稳定性也比后者好。

(×) 11．差动螺管式自感传感器与差动变压器式互感传感器的结构相似，都是把被测位移的变化转换成输出电压的变化。

(×) 12．由于线圈可以做得比较轻巧，因此动圈式磁电传感器可以用来测量变化比较快的被测量，而动铁式磁电传感器则不能。

(×) 13．压电式传感器的电荷灵敏度只取决于压电材料本身，而电压灵敏度则还与外电路的电气特性有关。

(√) 14．测量小应变时，应选用金属丝应变片，测量大应变时，应选用半导体应变片。

( × )15．测量小应变时，应选用灵敏度高的金属丝应变片，测量大应变时，应选用灵敏度低的半导体应变片。

(√) 16．作为温度补偿的应变片应和工作应变片作相邻桥臂且分别贴在与被测试件相同的置于同一温度场的材料上。

(√) 17．交流电桥可测静态应变，也可测动态应变。

压阻传感器的原理与结构

压阻传感器的原理与结构

2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
1—靶,2—阴极, 3—直流高压, 4—阳极,5—基片, 6—惰性气体入口, 7—接真空系统。
4.压阻式传感器的制造工艺
1.薄膜技术---化学气相淀积 化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与 另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积 物质,淀积在基底上生成薄膜。
(a )
(b )
(c)
压阻式传感器的制造工艺
2.微细加工技术---表面腐蚀加工
该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种 悬式结构。
Si3 N4 SiO2
N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
5.压阻式传感器的测量电路
压阻式传感器的测量电路
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
2.压阻式传感器的结构
压阻式传感器的结构
压阻传感器采用集成工艺将电阻条集成在单 晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周 边固定封装于外壳之内，引出电极引线（如 图）。压阻式压力传感器又称为固态压力传感 器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元 件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被 测压力的。图中硅膜片的一面是与被测压力连 通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形。在圆形硅 膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全 桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应 力区，相对于膜片中心对称。
1.薄膜技术---真空蒸镀
2 1 3
4
在真空室内,将待蒸发的材料 置于钨丝制成的加热器上加热,当 真空度抽到0.0133Pa以上时,加大 钨丝的加热电流,使材料融化,继续 加大电流使材料蒸发,在基底上凝 聚成膜。

传感器的主要知识点

传感器的主要知识点

绪论一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件构成。

如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，分类：按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。

物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。

按照输入量信息：按照应用范围：传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。

1．发现新现象；2．发明新材料；3．采用微细加工技术；4．智能传感器；5．多功能传感器；6．仿生传感器。

二、信息技术的三大支柱现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。

课后习题1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？传感器(transducer/sensor)：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置（国标GB7665—2005）。

通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)部分。

转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。

信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。

第一章传感器的一般特性1.传感器的基本特性动态特性静态特性2.衡量传感器静态特性的性能指标（1）测量范围、量程（2）线性度%100max⨯∆±=⋅SF L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。

第八章 压力仪表2

第八章 压力仪表2

例【2-4】 有一个压力容器在正常工作时压力范围为0.4~0.6MPa，要
求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4%，试 确定该表的量程和准确度等级。 解：由题意可知，被测压力较平稳，设弹簧管压力的量程为Pm，则根据 最大工作压力有： 2
p m 0 .6 3 0.9 MPa
物性型压力传感器
可测快速变化的压力
固态压力传感器式是今后压力检测仪表的发展重点。
压力检测仪表在使用时可根据实际需要进行量程调整，但 调整意味着必须重新标定。 实际压力与原仪表量程相差很大，无法通过量程调整来实现。 能在很大的测压范围内进行量程调整而不需重新标定是目 前一个热门话题。 压力检测的特点是压力敏感元件必须与被测介质接触。 引压管路的性能和可靠性左右着整个压力测量系统。 由于开孔使压力容器的强度大大降低。 发现一种非接触式的压力检测方法意义十分重大。
六、应变式压力变送器 • 应变式压力传感器利用金属应变片或半导体应变 片将测压弹性元件的应变转换成电阻变化。 1 金属丝的应变效应和半导体的压阻效应 弹性元件的应变转换成电阻值的大小是由金属或 半导体材料制成的电阻体（即应变片）完成。 • 常用的金属应变片：金属丝式、箔式、薄膜式， 基于金属丝的应变效应工作，
被预调到零位，这一过程
称为调零。图中的R5是用 于减小调节范围的限流电 阻。
单臂电桥
全桥四臂 工作方式的 灵敏度最高， 双臂半桥次 之，单臂半 桥灵敏度最 低。
双臂电桥
R1、 R2为应 变片， R3、R4为 固定电阻 。应变 片R1 、R2 感受到 的应变1~2以及 产生的电阻增量 正负号相间，可 以使输出电压Uo 成倍地增大。
压电陶瓷外形
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

第8章 压阻式传感器

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

《传感器原理及工程应用》课后答案

《传感器原理及工程应用》课后答案

第1章传感器概述1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语： 1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。

第1章传感器答案：3．答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

4．答：①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。

②传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。

④变送器：能输出标准信号的传感器第2章传感器特性1．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？2．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。

当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。

3．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比，相角各为多少？ε=0.7时，，又为多少？4．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。

5. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。

6. 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。

7．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。

8．某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。

第八章 压阻式传感器 - 副本

第八章 压阻式传感器 - 副本

式中
2 2 2 2 2 2 p t p 12 p 11 p 12 p 44 l1 l2 m1 m2 n1 n2
p11、p12、p44——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。 l1 、m1 、n1—— 分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦； l 2 、m2 、n2—— 分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；
X

8.6.2
恒流源供电
R -R +RT A I R +R +RT D R -R +RT C Usc U
假设电桥两个支路的电阻相等，即
RABC RADC 2R RT
故有
I ABC I ADC 1 I 2
因此电桥的输出为
B
整理后得
1 1 U SC U BD I (R R RT ) I (R R RT ) R +R +RT 2 2
11Pa，弹性模量E
式中 ky——半导体材料的灵敏系数。
k y pE 50 ~ 100k
结论：半导体材料电阻变化率ΔR/R主要是由Δ/ 引起的，这就是半 导体的压阻效应。 当力作用于硅晶体时，晶格产生变形，载流子的迁移率发生变化， 使硅的电阻率发生变化。
电阻变化率随硅晶体的取向不同而不同，即：硅的压阻效应与晶 体的取向有关。
t
得到
1 R p 44 s r R 2 r
1 R p 44 s R 2 t
r
这种方法设计的电阻相对变化率的数值显然要小于边沿扩散的类型， 大约为1/3左右。 X

设计方案二：

压阻式传感器的结构及工作原理

压阻式传感器的结构及工作原理

压阻式传感器的工作原理压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。

这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。

硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。

压阻式传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。

压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。

硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。

硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。

在圆形硅膜片定域扩散4条P杂质电阻条，并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。

此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。

硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。

其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。

当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

《传感器技术》第3版课后部分习题解答

《传感器技术》第3版课后部分习题解答

潘光勇0909111621 物联网1102班《传感器技术》作业第一章习题一1-1衡量传感器静态特性的主要指标。

说明含义。

1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。

2、回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。

3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。

各条特性曲线越靠近，重复性越好。

4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。

5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。

6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。

7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。

8、漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。

9、静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。

1-2计算传感器线性度的方法，差别。

1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。

2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。

3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。

这种方法的拟合精度最高。

4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。

1—4 传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。

各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。

传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。

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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，
表示。 以用l 以用 、m、n表示。 表示
灵敏度高（比金属丝高 灵敏度高（ 50～80倍）、尺寸小、横向效应 50～80倍）、尺寸小、 尺寸小 滞后和蠕变小、 小、滞后和蠕变小、适于动态测量
8.1 压阻式传感器的工作原理
任何材料电阻的变化率都由下式决定
∆ρ ∆R ∆l ∆s = + − R ρ l s
半导体电阻的变化率主要是电阻率变化 引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。 引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。
8.1 压阻式传感器的工作原理
如果引用
∆ρ
ρ
= πσ
式中π为压阻系数，σ为应力 为应力， 式中π为压阻系数，σ为应力，再引进横 为压阻系数 向变形的关系， 向变形的关系，则电阻的相对变化率可写成
∆R ∆l ∆l = πσ + + 2µ = πEε + (1+ 2µ)ε = (πE +1+ 2µ)ε = kε R l l 式中 k——灵敏系数 灵敏系数
晶体 导电类 型 Si P Si N 电阻率 /Ω·cm 7.8 11.7
π11
+6.6 -102.2
π12
-7.1 +53.4
π44
+138.1 -13.6
8.3 压阻系数
前面已经讲过，单晶硅的晶面虽然很多， 前面已经讲过，单晶硅的晶面虽然很多， 但是（ ）、（110）、（ ）、（111）是三个主 但是（100）、（ ）、（ ）、（ ） 要晶面。制作压力传感器， 要晶面。制作压力传感器，总是在某一晶 面上选择两个互相垂直的晶向[h， ， 和 面上选择两个互相垂直的晶向 ，k，l]和 [r，s，t]作为坐标轴，也就是说， ， ， 作为坐标轴，也就是说， 作为坐标轴 Y(r,s,t) 扩散电阻要么垂直于X轴 扩散电阻要么垂直于 轴，要么垂 直于 Y轴，如图所示。 轴 如图所示。
8.2 晶向的表示方法
例如： 例如： 有一ABC ABC面 截距为4a 4a、 有一ABC面，截距为4a、b、c, 截距的 倒数为1/4 1/4、 倒数为1/4、1、1，它的密勒指数为 （1，4，4）。 另有一晶面，截距为2a 4b、 2a、 另有一晶面，截距为2a、4b、∞c, 截距的 倒数为1/2 1/4、 1/2、 倒数为1/2、1/4、0，它的密勒指数为 （2、1、0）。
半导体材料的灵敏系数。 式中 ky——半导体材料的灵敏系数。 半导体材料的灵敏系数 此式表示， 此式表示，压阻式传感器的灵敏系数是金 属应变片的灵敏系数的50～ 倍 属应变片的灵敏系数的 ～100倍。
8.2 晶向的表示方法
压阻效应与压阻系数
晶向、 晶向、晶面的表示方法 晶向——通过晶体中任意两个原子中心连 晶向——通过晶体中任意两个原子中心连 —— 成直线来表示晶体结构的空间的各个方向。 成直线来表示晶体结构的空间的各个方向。 晶面—— ——晶体结构一系列原子所构成的 晶面——晶体结构一系列原子所构成的 平面。 平面。 晶向是晶面的法线方向 的法线方向。 晶向是晶面的法线方向。 结晶体是具有多面体形态的固体， 结晶体是具有多面体形态的固体， 其表面由称为晶面的许多平面围合而成。 其表面由称为晶面的许多平面围合而成。 一般来讲，对于平面的表示方法有两种： 一般来讲，对于平面的表示方法有两种： x y z （１）截距式 + + = 1 − − − − − −(1) r s t
8.3 压阻系数
沿一块半导体某一轴向施加一定 应力时，除了产生一定应变外， 应力时，除了产生一定应变外，材料 的电阻率也要发生变化，这种现象称为 的电阻率也要发生变化， 半导体的压阻效应。 半导体的压阻效应。
8.3 压阻系数
对于Ｐ型单晶硅半导体， 对于Ｐ型单晶硅半导体，当 应力沿［111］方向时，或对Ｎ 应力沿［111］方向时，或对Ｎ 型单晶硅半导体， 型单晶硅半导体，当应力沿 ［100］方向时，可得到最大的 100］方向时， 压阻效应。 压阻效应。
k = πE + 1 + 2 µ
8.1 压阻式传感器的工作原理
k = πE + 1+ 2 µ
对半导体来讲， 可忽略不计， 对半导体来讲，1+2µ可忽略不计，而压阻系 可忽略不计 数π =（40～80）×10-11N/m2，弹性模量 （ ～ ） E = 1.67×1011N/m2，故 ×
k y = πE ≈ (50 ~ 100 )k
8.2 晶向的表示方法
若式（ 若式（1）与式（2）表示的是同一平面， 与式（ 表示的是同一平面， 则由式（2）得 则由式（
x y z cos α + cos β + cos γ = 1 − − − − − −(3) p p p
比较式（ 比较式（1）与式（3），则有 与式（ ），则有
1 1 1 cos α : cos β : cos γ = : : r s t
8.2 晶向的表示方法
同理， 同理，与X、Y轴相交而平行于Z轴的晶面 0)，其晶向为[1 0]；其余类推。 为(1 1 0)，其晶向为[1 1 0]；其余类推。 硅立方晶体内几种不同晶向及符号如图。 硅立方晶体内几种不同晶向及符号如图。
[100]
单晶硅内集中不同晶向与晶面
8.2 晶向的表示方法
对于同一单晶， 对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不 如硅单晶中， 1)晶面上的原子密度 同。如硅单晶中，(1 1 1)晶面上的原子密度 最大， 0)晶面上原子密度最小 晶面上原子密度最小。 最大，(1 0 0)晶面上原子密度最小。各晶面 上的原子密度不同，所表现出的性质也不同， 上的原子密度不同，所表现出的性质也不同， 如(1 1 1)晶面的化学腐蚀速率为各向同性， 1)晶面的化学腐蚀速率为各向同性， 晶面的化学腐蚀速率为各向同性 0)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性 晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。 而(1 0 0)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。 单晶硅是各向异性的材料，取向不同， 单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻 效应也不同。硅压阻传感器的芯片， 效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应 最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、 最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、 腐蚀速率不同的特性， 腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅杯形的压 阻芯片。 阻芯片。
8.3 压阻系数
的数值见下表。 室温下单晶硅π11、π12和π44的数值见下表。 从表可以看出： 型硅， 从表可以看出：对于 P型硅，π44远大于π11、 型硅 π12 因而在计算时，只取π44；对于 型硅， 因而在计算时， 对于N型硅 型硅， π44较小，π11最大，π12≈1/2π11，因而在计算 较小， 最大， 时只取π11和π12。 π11、π12、π44的数值（×10-11m2/N） 的数值（ ）
8.3 压阻系数
应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。 应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。电 阻的相对变化与应力的关系如下式所示。在正交坐标系统， 阻的相对变化与应力的关系如下式所示。在正交坐标系统，坐标 轴与晶轴一致时， 轴与晶轴一致时，有
σl ——纵向应力； ——纵向应力 纵向应力； σt ——横向应力； 横向应力； 横向应力 σs ——与纵向应力和横向应力垂直的应力。 与纵向应力和横向应力垂直的应力。 与纵向应力和横向应力垂直的应力 πl ——纵向压阻系数； 纵向压阻系数； 纵向压阻系数 πt ——横向压阻系数； 横向压阻系数； 横向压阻系数 πs ——与纵向和横向垂直的压阻系数。 与纵向和横向垂直的压阻系数。 与纵向和横向垂直的压阻系数 小很多一般略去。 由于σs一项比σt 和σl 小很多一般略去。πl表示应力作用方向 与通过压阻元件的电流方向一致， 与通过压阻元件的电流方向一致，πt 表示应力作用的方向与通过
8.2 晶向的表示方法
A（a1,a2,a3）与B(b1,b2,b3)两向量点乘 =0。 时，如A⊥B，必有a1b1+a2b2+a3b3=0。 A⊥B，必有a 在电阻式传感器的设计中， 在电阻式传感器的设计中，有时需求出 与两晶向都垂直的第三晶向，这可根据两向量的 与两晶向都垂直的第三晶向， 叉乘来求，因为Ａ×Ｂ＝Ｃ，向量Ｃ必然与向量Ａ 乘来求，因为Ａ Ｂ＝Ｃ，向量Ｃ必然与向量Ａ 向量 及向量Ｂ都垂直。 及向量Ｂ都垂直。