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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

tyut传感器与射频识别复习题(没答案)

tyut传感器与射频识别复习题(没答案)

第一章传感器是技术和的重要部件。

传感器测试对象分为：与传感器是获取中信息的主要途径与手段。

传感器可狭义的定义为: “将外界的变换为的一类元件。

”传感器的发展：1、什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义。

2、传感器由哪几部分组成。

试述它们的作用和相互关系。

3、传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？4、空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？第二章1．今有0.5级的0℃～300 ℃和1.0级的0 ℃～100 ℃两个温度计，要测80 ℃的温度，试问采用哪一个温度计好？2．对某一重物进行了十次等精度测量，测值为20.62 20.82 20.78 20.82 20.7020.78 20.84 20.78 20.85 20.85 （单位：g）求：（1）测量值的算术平均值（2）测量值的标准差3）测量结果的表达3．有一组等精度无系统误差的独立测量列，16个测量值分别为：39.44,39.27,39.94,39.44,38.91,39.69,39.48,40.56，39.78,39.35,39.86,39.71,39.46,40.12,39.39,39.76。

试判断粗大误差4．某超声波测距传感器装置，检查范围为0~500m，在整个测量范围内，与理想线性输出的最大误差为3m，其线性度为多少？5．测得某检查装置的一组输入输出数据如下：x123456y 2.20 4.00 5.987.910.1012.05求: （1）端基线性度（2）最小二乘线性度6玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传递给水银，可用一阶微分方程式来表示。

现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是，y代表水银柱高（m），x代表输入温度（℃）。

求该温度计的时间常数及静态灵敏度7. 用某一阶环节的传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？1、误差按表示方法划分可分为（）和（），按误差出现的规律划分可分为（），（）和（），按被测量随时间变化的速度划分可分为（）和（），按使用条件划分可分为（）和（）。

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

应变式压力传感器和压阻式传感器的转换原理

应变式压力传感器和压阻式传感器的转换原理

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压力传感器的原理

压力传感器的原理

压力传感器的原理压力传感器是一种能够将压力信号转换为电信号输出的传感器，广泛应用于工业自动化控制、汽车电子、医疗设备等领域。

它的原理是利用一定的物理效应，将受力的变化转换为电信号输出，从而实现对压力的测量和控制。

压力传感器的原理主要包括以下几个方面：1. 压阻式原理。

压阻式压力传感器是利用压阻效应来实现对压力的测量。

当外力作用于传感器的敏感元件上时，敏感元件会发生形变，从而改变其电阻值。

通过测量电阻值的变化，就可以得到压力的大小。

这种原理的传感器简单、成本低，但精度较低，易受温度影响。

2. 容性原理。

容性压力传感器利用压力作用于传感器时，会改变传感器内部电容值的特性。

通过测量电容值的变化，就可以得到压力的大小。

这种原理的传感器具有较高的灵敏度和稳定性，但制造工艺复杂，成本较高。

3. 压电原理。

压电压力传感器是利用压电效应来实现对压力的测量。

当外力作用于传感器的压电晶体上时，会产生电荷的分布变化，从而产生电压信号输出。

通过测量电压信号的变化，就可以得到压力的大小。

这种原理的传感器具有高灵敏度、高稳定性和高精度，但制造工艺复杂，成本较高。

4. 光纤原理。

光纤压力传感器是利用光纤的光学原理来实现对压力的测量。

当外力作用于传感器上时，会改变光纤的折射率，从而改变光信号的传输特性。

通过测量光信号的变化，就可以得到压力的大小。

这种原理的传感器具有抗干扰性强、可靠性高的优点，但制造工艺复杂，成本较高。

总结：压力传感器的原理多种多样，每种原理都有其适用的场景和特点。

在实际应用中，需要根据具体的测量要求和环境条件选择合适的压力传感器。

随着科技的不断发展，压力传感器的原理和性能也在不断提升，为各行各业的应用提供了更加可靠和精准的压力测量解决方案。

总结压阻式压力传感器的一般检测方法

总结压阻式压力传感器的一般检测方法

总结压阻式压力传感器的一般检测方法压阻式压力传感器是一种常用的测量压力的传感器，其原理是基于材料的压阻效应。

为了确保传感器的准确性和稳定性，需要进行一般的检测方法。

以下是总结的一般检测方法：1. 外观检查：首先，对压力传感器进行外观检查，包括检查传感器外壳是否完整、有无损坏，是否有明显的划痕或变形等。

确保传感器外观正常可靠。

2. 线路连接检查：检查传感器的电气连接，包括检查传感器与接收器之间的线路连接是否正确牢固，检查所有电连接器是否无松动或断裂。

确保传感器与电路之间的连接良好。

3. 零点检测：通过此检测方法，测量压力传感器在无压力状态下的输出信号。

将传感器暴露在零压条件下，记录输出信号。

正常情况下，压力传感器在无力作用时应输出稳定的零信号。

4. 线性度检测：线性度是指压力传感器输出与输入压力之间的直线关系。

可通过在一定范围内施加等间隔的压力，记录传感器的输出信号。

然后，根据斜率和截距计算其线性关系。

理想情况下，传感器应该有良好的线性关系。

5. 灵敏度检测：灵敏度是指压力传感器输出信号与输入压力变化之间的关系。

可以通过在不同压力范围内改变输入压力，并记录传感器的输出信号，计算出输出信号相对于输入信号的变化量。

传感器的灵敏度应保持稳定并与规格相符。

6. 温度特性检测：压力传感器的温度特性直接影响其测量的准确性。

进行温度特性检测时，将传感器暴露在不同的温度环境下，并记录传感器的输出信号。

比较传感器在不同温度下的输出，确保传感器对温度的响应在规格范围内。

总之，以上是总结的压阻式压力传感器的一般检测方法，通过这些方法可以确保传感器的质量和性能符合要求，提供可靠准确的压力测量结果。

压阻应变片式压力传感器详解

压阻应变片式压力传感器详解
应变片结构：由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部分组成。应变敏感元件一般由金属丝、金属箔（高电阻系数材料）组成，它把机械应变转化成电阻的变化。基片和覆盖层起固定和保护敏感元件、传递应变和电气绝缘作用。 金属箔的厚度通常为0.002～ 0.008mm。应变片厚度小、工 作电流大、寿命长、易批量生 产，在应力测量中应用广泛。 绕线式应变片由一根高电阻系 数的电阻丝排成栅型，电阻为 60 ～120Ω。
2
3.1压力传感器
扩散型压阻式压力传感器特点：
3.1压力传感器
压阻式加速度传感器： 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在器根部两面。
恒压源：
A
D
B
C
输出电压与 成正比，输出电压受环境温度的影响.
恒流源：
输出电压与 成正比，环境温度的变化对其没有影响.
测量电路：
四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr 和切向应力 σt 分布情况确定。
设计时适当安排电子的位置，可以组成差点电桥。
3
2
1
4
优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，测出十几帕德微压，长期稳定性好，之后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。
1
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费线性和温度进行补偿。
上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应的。
扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅，单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样，而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。
3.1压力传感器
优点：
灵敏系数高，k =30～ 175（而电阻丝其值约在 1.6～ 3.6 之间)； 机械滞后小、横向效应小及本身体积小。

第8章：压阻式传感器

第8章：压阻式传感器

R s lp l s t p t s t p l s r p t R t

在 0 1 1 晶向，纵向和横向压阻分别系数为（R1所在晶向） 1 1 1 1 p l p11 p12 p 44 p 44 p p p p p 44 2 2 t 11 12 44 2 2 在<011>晶向，纵向和横向压阻系数为 （R2所在晶向）

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。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，坐标轴与晶轴一致 时，有 R p ls l p t s t p s s s R
式中 sl ——纵向应力，注意为L而不是1； st ——横向应力； ss ——与纵向应力和横向应力垂直的应力。 pl ——纵向压阻系数； pt ——横向压阻系数； ps ——与纵向和横向垂直的压阻系数。 由于ss一项比st 和sl 小很多一般略去。pl表示应力作用方向与通过压阻元 件的电流方向一致， pt 表示应力作用的方向与通过压阻元件的电流方向垂直。

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 p ls l p R
t
st
在此情况下，式中的pl、pt 值可用p11、p12、p44表示为
2 2 2 2 2 p l p 11 2p 11 p 12 p 44 l12 m1 n1 l1 m1 n1
h
(a)
(c)

1．扩散电阻条值及位置的确定 在<001>晶向的N型圆形硅膜片上，如图所示。沿<011>与二 晶向利用扩散的方法扩散出四个 P型电阻，则<011>晶向的二个径 向电阻与晶向的二个切向电阻阻值的变化率分别为

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。

压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器是一种常见的传感器，它能够将机械压力转换
成电信号，并输出到载波、微处理器等电子设备中。

压阻式压力传感器的工作原理是：通过机械受力，将受力区域内
的电阻片加以拉伸或压缩，使电阻片的电阻发生变化，电阻的变化大
小与机械压力的大小成正比。

这个原理又被称为压阻效应。

压阻式压力传感器可以分为：薄膜式压力传感器、箔片式压力传
感器和微应变片式压力传感器。

薄膜式压力传感器是将压力感受器下面的薄膜受力区域做成一个
电阻器，当薄膜受到压力时，在电极之间会产生电压信号，这个电压
信号随着压力变化而变化。

这样的传感器结构简单，易于制造。

箔片式压力传感器是将薄膜变成箔式，其受力特性更好，更灵敏，输出稳定。

微应变片式压力传感器也是一种常见的压力传感器，与薄膜式压
力传感器类似，同样将感受器下面的微应变片或桥式微应变传感器成
一个电阻器，当感受器下面的微应变片受到压力时，所产生的应变同样会造成其电阻值的变化，进而产生电压信号，从而实现输出压力信号的目的。

除了压阻式压力传感器以外，流式传感器，如流量传感器、液位传感器，温度传感器，光电传感器等等都是常见的传感器，而他们的工作原理都各有不同。

在生产和实际使用中，根据场合和需要选择适合的传感器，可以更好地胜任各类测量需求。

第8章 力、力矩、压力测量

第8章 力、力矩、压力测量

§8-2 力的测量
一、力的测量方法
力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得 到其值的大小。 1. 根据静力或动力效应测量 动力效应---- 力施加于某一物体后，将使物体的运动状
态或动量改变，使物体产生加速度。根据牛顿第二定律： F=ma
静力效应---- 通过测量物体的机械变形，或利用与内部
应力有关的参量的物理效应来确定，如压电效应、压磁效应。
(1)机械式力平衡装置 这种测力方法的优点是简单易行，可获得很 高的测量精度。但这种方法是基于静态重力力矩 平衡，因此仅适用于作静态测量。
机械式力平衡装置
（2）测位移法
力、力矩 机械变形 应变 电信号
弹性元件
传感器
各种弹性元件：最简单的就是弹簧。
电阻应变计是广泛使用的一种方法。
典型的弹性体结构:
U 0 k k (1 ) 0 F 测力仪电压灵敏度（mv/v）: Ui 4 2 AE
通常选k=2
实＝ 0 / n
n为桥臂系数，全桥电路中n=2(1+ ) [ ] =E 实
max kn [ ]
s
3
[σ]：材料的许用应力 [σs]：材料的屈服极限
二、弹性式压力计（Diaphragms）
波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量； 单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度 的测量。
根据弹性元件受力变形原理并利用机械结 构将变形量放大。
弹性压力计组成框图
弹簧管压力计结构 1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中 心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头； 10-横断面；11-灵敏度调整槽
3
强度校核： 弹性材料为40Cr,E=2.1 10 MPa , s 785.1MPa;

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

压力传感器工作原理

压力传感器工作原理

压力传感器工作原理压力传感器是一种用于测量和监测压力的装置，广泛应用于工业自动化、航空航天、汽车、医疗设备等领域。

它能够将压力信号转换为电信号，从而实现对压力变化的监测和控制。

一、压力传感器的基本原理压力传感器的基本原理是利用压力作用在传感器敏感元件上产生的变形来测量压力。

常见的压力传感器敏感元件有压阻式、电容式、电感式等。

1. 压阻式压力传感器压阻式压力传感器是最常见的一种类型，它利用金属薄膜或者金属丝电阻的变化来测量压力。

当压力作用在敏感元件上时，敏感元件会发生弯曲或者拉伸，从而导致电阻值的变化。

通过测量电阻值的变化，就可以得到压力的大小。

2. 电容式压力传感器电容式压力传感器利用电容的变化来测量压力。

它由两个平行的金属板组成，当压力作用在金属板上时，会导致金属板之间的距离发生变化，从而改变了电容值。

通过测量电容值的变化，就可以得到压力的大小。

3. 电感式压力传感器电感式压力传感器利用电感的变化来测量压力。

它由一个线圈和一个铁芯组成，当压力作用在铁芯上时，会导致铁芯的位置发生变化，从而改变了线圈的电感值。

通过测量电感值的变化，就可以得到压力的大小。

二、压力传感器的工作原理压力传感器的工作原理可以简单分为三个步骤：感知压力、转换信号、输出信号。

1. 感知压力压力传感器通过敏感元件感知压力的变化。

当压力作用在敏感元件上时，敏感元件会发生形变，这个形变可以是弯曲、拉伸或者压缩等。

敏感元件的形变程度与压力的大小成正比。

2. 转换信号感知到压力的变化后，压力传感器会将这个变化转换为电信号。

不同类型的压力传感器会采用不同的转换方式，如压阻式压力传感器通过测量电阻值的变化来转换信号，电容式压力传感器通过测量电容值的变化来转换信号，电感式压力传感器通过测量电感值的变化来转换信号。

3. 输出信号转换为电信号后，压力传感器会将信号输出给外部设备进行处理。

输出信号的形式可以是摹拟信号或者数字信号。

摹拟信号普通是电压或者电流的变化，它们的大小与压力的变化成正比。

压阻式传感器

压阻式传感器

称为半导体的压阻效应。前面已有结论：
R 2 E (1 2) E
R 半导体材料则有：（1+2μ）<<πE，即：
R E
R
(2.71)
不同类型的半导体，具有不同的压阻系数；载荷施加的 方向不同，压阻效应大小也不相同。为描述不同方向的压 阻效应，需要了解半导体材料的晶向概念。
单晶硅是目前使用最多的。其晶向如图2.17所示。
1.2 扩散型压阻式传感器
将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电 P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。 以此为敏感元件制成的传感器称为扩散型压阻式传感器。
1. 工作原理 半导体材料一般是各向异性材料，压阻系数与晶向有
关。当受到任意方向的应力后，扩散型电阻相对变化为：
R R
l l
P型单晶硅，应力沿[111]晶
z [001]
轴，可得最大压阻效应；
N型单晶硅，应力沿[100]方
[111]
向时，可得最大压阻效应。制作
o
应变片时，沿所需的晶轴从硅锭
[010]
y
上切出一小条，作为应变片的电 x [100]
[100]阻材料（敏感来自）。图 2.17 半导体的晶向
2. 结构和主要特性 半导体应变式结构形式也是由敏感栅、基片、覆盖层和
传感器技术及应用
压阻式传感器是基于半导体材料的压阻效应来工作的传 感器。分半导体应变式压阻传感器和扩散型压阻传感器。
1.1 半导体应变式传感器
利用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片（称半导 体应变片），用此制成的传感器称为半导体应变式传感器。
1. 工作原理
由于应力的作用而使半导体材料电阻率发生变化的现象
相等，即 ： RABC RADC 2(R Rt )

压阻式传感器

压阻式传感器

压阻式传感器
一、 压阻式传感器的工作原理
由前述可知，压阻效应的数学描述可用公式表示如下：
R R
（1-25）
式中，π是压阻系数，是表征固态材料压阻效应的特性参数。不同
材料的压阻系数不同，而且各向异性的同一材料在不同方向其压阻系数
也各不相同，所以有
R R
r r
tt
（1-26）
式中，σr、σt分别为纵向应力和横向应力（切向应力）；πr为纵向
压阻式传感器
图1-16所示为一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传 感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和 控制汽车发动机的性能及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵 器方面的测量。
图1-16 脑压传感器结构图
压阻式传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
扩散型压阻式压力传感器属于半导体应变片传感器，它是直 接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，而不是用黏结剂将敏感栅粘贴 在弹性元件上。
压阻式传感器
由于闭环压阻式加速度 传感器采用力平衡工作方式 弹性硅梁没有过大的挠度， 因而有利于提高动态频响特 性和改善线性。它还具有自 检功能。闭环压阻式加速度 传感器的特点是精度高，动 态范围大，结构复杂，质量 和尺寸都相对较大，成本也 较高。
图1-18 闭环压阻式加速度传感器结构原理图 1—硅梁组件； 2—力矩器线圈； 3—壳体； 4—下磁路组件； 5—插头座； 6—压阻电桥； 7—力矩器磁钢
图1-17（a）所示为扩散型压阻式压力传感器的结构简图， 其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置四 个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆 环（硅环）固定，如图1-17（b）所示。膜片的两边有两个压力 腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般 与大气相通。

压阻式压力传感器

压阻式压力传感器

第二节压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。

半导体材料的这种效应特别强。

利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。

压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。

频率响应高，体积小。

它主要用丁测量压力、加速度和载荷参数。

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.基本工作原理根据式（2— 3）芸Qf式中，项，对金届材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为——砧=〃 f (2 - 22)式中巧为沿某晶向的压阻系数，。

为应力，耳为半导体材料的弹性模量。

如半导体硅材料，遗I。

％", "一6"105七则S八扁=5。

〜13,此例表明，半导体材料的灵敏系数比金届应变片灵敏系数（1 + 2卜）大很多。

可近似认为典=圈半导体电阻材料有结晶的硅和错，掺入杂质形成P型和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。

由丁半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。

所谓晶向，就是晶面的法线方向。

晶向的表小方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。

1 .截距法设单晶硅的晶轴坐标系为X、y、z,(2 — 23)如图2 — 29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c,这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a bc〉，某数(如a)为负数则记作〈五b c〉。

例如图2— 30(a)，截距为一2、一£1 12、4,截距倒数为一^、一^、日，密勒指数为〈2 ^1〉。

压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器的工作原理压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。

采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。

当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号。

压阻式压力传感器应用压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。

例如，用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。

在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上。

在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。

在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫，非线性和滞后均为全量程的±0.22%。

在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。

已制成扩散硅膜薄到10微米，外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。

图3是一种用于测量脑压的传感器的构造图。

压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。

此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。

随着微电子技术和计算机的进一步开展，压阻式传感器的应用还将迅速开展压阻式压力传感器工作原理：当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上，其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传感给半导体芯体。

受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。

不锈钢波纹膜片壳体感受压力并保护芯体，因此压阻式压力传感器能在腐蚀性的介质中感应压力信号。

压阻式传感器原理

压阻式传感器原理

压阻式传感器原理
压阻式传感器是一种将物理量转换为电阻变化的传感器。

它由弹性层、电阻层和基底层组成。

当物体施加在传感器上的压力变化时，弹性层会产生弯曲变形，进而引起电阻层内阻值的改变。

当外部施加压力时，弹性层会发生变形，使其对电阻层施加应力。

电阻层是由导电材料制成的，应力的改变会导致导电材料的电阻值发生变化。

通常情况下，当传感器受到更大的压力时，导电材料的电阻值会减小，反之则会增加。

为了测量电阻层的电阻值变化，需要将传感器连接到一个电路中，通常是一个电桥电路。

电桥电路会通过测量电阻层两个相对端口之间的电压，来确定电阻层的电阻值。

从而可以将物理量转化为电信号。

压阻式传感器的原理可以用于测量各种物理量，如力、压力、重量等。

通过校准和精确设计，可以实现高精度的测量。

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14 24 34 44 54 64
15 25 35 45 55 65
16 1 26 2 36 3 46 4 56 5 66 6

恒流源
U 0 I R
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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（2） 扩散型压阻式压力传感器
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
电阻率的变化与应力分量之间的关系
1 11 2 21 3 31 4 41 5 51 6 61
12 22 32 42 52 62
13 23 33 43 53 63
31 微型硅应变式传感器的一些基本结构
膜片 (a )
悬臂梁 (b )
硬中心 桥 支承膜 (d ) (e)
(c)
图(a)为方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容 式传感器。图(b)为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图(c) 为桥式结构,图(d)为支撑膜结构,图(e)为E型膜（硬中心）结 构,这些都是常用于应变式传感器的结构。
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
固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这 种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 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。
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
24
参考知识： 敏感元件加工技术
1.薄膜技术
薄膜技术是在一定的基底上 , 用真空蒸镀、溅 射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成 零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物 薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、 膜等微型弹性元件 , 也可加工为转换元件 , 有的 可作为绝缘膜 , 有的可用作控制尺寸的牺牲层 , 在传感器的研制中得到了广泛应用。
R l E l R
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
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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压阻系数
一、单晶硅的压阻系数
3
σ33 σ31 σ13 σ12
表面腐蚀加工——牺牲层技术形成硅梁过程
30
Si3 N4 SiO2 N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
利用该工艺制造多晶硅梁的过程： 1）在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的 绝缘支撑,并刻出窗口,如图(a)所示。利用局部氧化技术在 窗口处生成一层SiO2作为牺牲层,如图(b)所示； 2 ） 在 SiO2 层 及 余 下 的 Si3N4 上 生 成 一 层 多 晶 硅 膜 （ PoLy-Si) 并刻出微型硅梁 , 如图 (c) 所示。腐蚀掉 SiO2 层形 成空腔 , 即可得到桥式硅梁 , 如图 (d) 所示。另外 , 在腐蚀 SiO2层前先溅铝,刻出铝压焊块,以便引线。
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利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传 感器。 一、压阻效应及压阻系数
压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。
压阻式压力传感器
压阻式传感器的特点
4
灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故相应的传 分辨率高: 能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。 体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又
26
2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
图中,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。
化学气相淀积（CVD）
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,如图所示。
无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感 元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设 计传感器外型，使用带宽可以从静态至100千赫兹。
感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求， 应用成本相应较低。
温度误差大: 须温度补偿、或恒温使用。
1) 体型结构腐蚀加工
体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和 离子刻蚀（干法）技术（采用惰性气体）。
2)表面腐蚀加工——牺牲层技术
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。
单晶硅立体结构的腐蚀加工过程
29
(1) 氧化的硅基片 热生成硅氧化膜 单晶硅(10 0) 面 基片 5 4.74 ° (2) 光刻和腐蚀氧化层 光敏胶 (3) 各向异性腐蚀硅 (11 1) 硅平面
21
载流子浓度影响总结
Ns比较大时： a.π受温度影响小
b. Ns↑→ π↓→灵敏度↓
c.高浓度扩散，使p-n结击穿电压↓→绝缘电阻↓→漏电 →漂移→性能不稳定
结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应
用条件适当选择载流子的浓度。
压阻效应的原因:
应力作用 晶格变形 能带结构变化 载流子浓度和迁移率变化
例：
z
10
4 1 y -2 -2
z y x
1
1
x
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
1,1,1
2 , 2 ,1
1,1,1 1,1,1
2, 2,1 2, 2,1
11
例： （特殊情况）
z
0,0,1 0,1,0
y
1,0,0
x
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略

•六个独立的应力分量：
正 应 力
1 11 2 22 3 33
剪 应 力
4 23 32
5 31 13 6 12 21
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
16
σ32
σ23 σ22
2
σ21
σ11
1
13
14
材料阻值变化
广义：


＝E
•六个独立的应力分量：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
15 令：
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 半导体电阻率

半导体材料
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↓

对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为：
U R Uo R RT
2. 测量电路

恒压源
U 0 UR /( R Rt )
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， ΔR为应变片阻值变化， ΔRt为环境
温度变化受环境温度引起阻值的变化
密勒指数
密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公 约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）
y z cos cos cos 1 p p p x y z 1 r s t
9
表示方式
h, k , l
•表示晶向
•表示晶面 •表示晶面族
h, k , l h, k , l
对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l) 晶面的法线方 向； {h,k,l}晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。
真空蒸镀
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。如图 所示。
25
2 1 3
4
图中,1—真空室,2—基底 ,3—钨丝,4—接高真空泵。
溅射
在低真空室中,将待 溅射物制成靶置于 阴极,用高压（通常 在1000V以上）使 气体电离形成等离 子体,等离子中的正 离子以高能量轰击 靶面,使靶材的原子 离开靶面,淀积到阳 极工作台上的基片 上,形成薄膜,如图 所示。Y来自2) X(1) Z(3)7