扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验.docx
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实验十一扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验
一、实验目的:
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。
二、实验仪器
压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V 、± 15V 。
三、实验原理
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法,摩托罗拉公司设计出X 形硅压力传感器如下图所示:在单晶硅膜片表面形成 4 个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯
通电桥,电桥电源端和输出端引出,用制造集成电路的方法封装起来,制成扩散硅压阻式压
力传感器。
扩散硅压力传感器的工作原理:在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电
流 i ,当敏感芯片没有外加压力作用,内部电桥处于平衡状态,当有剪切力作用时,在垂直
电流方向将会产生电场变化E i ,该电场的变化引起电位变化,则在端可得到被与电
流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo 。
U O d E d i( 11-1)式中 d 为元件两端距离。
实验接线图如图 11-2 所示, MPX10 有 4 个引出脚, 1 脚接地、 2 脚为 Uo+ 、3 脚接 +5V 电源、 4 脚为 Uo -;当 P1>P2 时,输出为正; P1 图 11-1 扩散硅压力传感器原理图 四、实验内容与步骤 1.接入 +5V 、± 15V 直流稳压电源,模块输出端Vo2 接控制台上数显直流电压表,选 择 20V 档,打开实验台总电源。 4.调节 Rw2 到适当位置并保持不动,用导线将差动放大器的输入端Ui 短路,然后调节 Rw3 使直流电压表200mV 档显示为零,取下短路导线。 5.气室 1、2 的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后,使两个气室的压力相对大气压均 为 0,气压计指在“零”刻度处,将MPX10 的输出接到差动放大器的输入端Ui ,调节 Rw1使直流电压表200mv 档显示为零。 6.保持负压力输入P2 压力零不变,增大正压力输入P1 的压力到0.01MPa ,每隔0.005Mpa 记下模块输出Uo2 的电压值。直到P1 的压力达到0.095Mpa;填入下表1。 7.保持正压力输入P1 压力 0.095Mpa 不变,增大负压力输入P2 的压力,从0.01MPa 每隔 0.005Mpa 记下模块输出Uo2 的电压值。直到P2 的压力达到0.095Mpa ;填入下表2。 8.保持负压力输入P2 压力 0.095Mpa 不变,减小正压力输入P1 的压力,每隔 0.005Mpa 记下模块输出Uo2 的电压值。直到P1 的压力为 0.005Mpa ;填入下表3。 9.保持负压力输入P1 压力 0Mpa 不变,减小正压力输入P2 的压力,每隔0.005Mpa 记下模块输出Uo2 的电压值。直到P2 的压力为 0.005Mpa ;填入下表。 10.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。 五、实验数据记录与分析 1、保持负压力输入P2 压力零不变,增大正压力输入P1 的压力 12 10 8 V / 2 6 o U 4 P1(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050 Uo2( V ) 1.608 2.28 3.02 3.54 4.22 4.89 5.45 6.07 6.63 P1(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.095 Uo2(V)7.057.798.218.739.259.6210.0310.5811.04 (表 1) 用matlab 绘制 P1-Uo2 曲线图如下图所示 2、保持正压力输入P1 压力 0.095Mpa 不变,增大负压力输入P2 的压力 P2(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050 Uo2( V ) 10.149.769.328.828.367.857.41 6.79 6.23 P2(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.095 Uo2( V ) 5.72 5.08 4.59 3.85 3.26 2.56 1.68 1.120.32 (表 2) 用matlab 绘制 P2-Uo2 曲线图如下图所示 3、保持负压力输入P2 压力 0.095Mpa 不变,减小正压力输入P1 的压力 P1(kP)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050 Uo2( V ) -0.67-1.33- 1.95-2.57-3.13-3.67-3.95-4.51-5.13 P1(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005 Uo2( V ) -5.57-6.01- 6.27-6.70-7.18-7.52-7.90-8.22-8.55 (表 3) 用matlab 绘制 P1-Uo2 曲线图如下图所示 4、保持负压力输入P1 压力 0Mpa 不变,减小正压力输入P2 的压力 P2(kP)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050 Uo2( V ) -8.05-7.71- 7.30-6.92-6.50-6.11-5.70-5.34-4.89 P2(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005 Uo2( V ) -4.39-3.92- 3.42-2.86-2.30-1.65-1.07-0.400.29 (表 4) 用matlab 绘制的 P2-Uo2 曲线图如下图所示 5、灵敏度及非线性误差计算 线性拟合直线的斜率即为所求的灵敏度,故对上面的曲线图依次进行线性拟合,如下图所示(红色为拟合直线),并由此算出其灵敏度和非线性误差。 灵敏度 L= U/P=拟合直线斜率非线性误差δ f =m/y F..S× 100% ( m 为输出值与拟合直线的最大偏差,y F·S为满量程输出平均值) (1)P1-Uo2拟合直线 y = p1*x + p2p1 = 110.3p2 = 0.87657由图读出m=0.392 故灵敏度 S= L=U/ P=p1=110.3v/kp 非线性误差δ f=(0.392/11.4)× 100%=3.5% (2) P2-Uo2 曲线图 12y = p1*x + p2m=0.65 p1 = -115.24 p2 = 11.765由图读出 data1 线性10 8