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) 0.01 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 Uo2（ V ） 1.608 2.28 3.02 3.54 4.22 4.89 5.45 6.07 6.63
P1(kP) 0.055 0.060 0.065 0.070 0.075 0.080 0.085 0.090 0.095 Uo2(V) 7.05 7.79 8.21 8.73 9.25 9.62 10.03 10.58 11.04 （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) 0.01 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 Uo2（ V ） 10.14 9.76 9.32 8.82 8.36 7.85 7.41 6.79 6.23
P2(kP) 0.055 0.060 0.065 0.070 0.075 0.080 0.085 0.090 0.095 Uo2（ V ） 5.72 5.08 4.59 3.85 3.26 2.56 1.68 1.12 0.32
（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) 0.090 0.085 0.080 0.075 0.070 0.065 0.060 0.055 0.050 Uo2（ V ） -0.67 -1.33 - 1.95 -2.57 -3.13 -3.67 -3.95 -4.51 -5.13
P1(kP) 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 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) 0.090 0.085 0.080 0.075 0.070 0.065 0.060 0.055 0.050 Uo2（ V ） -8.05 -7.71 - 7.30 -6.92 -6.50 -6.11 -5.70 -5.34 -4.89
P2(kP) 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 Uo2（ V ） -4.39 -3.92 - 3.42 -2.86 -2.30 -1.65 -1.07 -0.40 0.29
（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， yF· S 为满量程输出平均值） （1） P1-Uo2拟合直线
y = p1*x + p2 p1 = 110.3 p2 = 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 + p2 m=0.65 p1 = -115.24 p2 = 11.765由图读出
data1 线 性
10
8 0 -1 -2 1-3
0-4
V / 2 -5 o
U -1
-6 -2
-7 -3
V -8 / 2 -4 o
U -9
-5 -10 0
-6
-7 -8 -9 0
故 灵敏度 L= U/ P=p1=-115.24 v/kp
非线性误差δ f =(0.65/10.72) × 100％ =6.1% （ 3） 减 小 P1-Uo2 曲 线 图 y = p1*x + p2 p1 = 91.498 p2 = -9.3923 由图读出 m=0.45
故 data1 U/ P =p1=91.498v/kp 灵敏度 L ＝ 线 性
非线性误差δ f=(0.45/8.87) × 100％ =5.1% （ 4） 减小 P2-Uo2曲线 y = p1*x + p2 p1 = -96.409 p2 = 0.23275 由图读出 m=0.58
data1 故 灵敏度 L ＝ U/ P=p1=- 96.409v/kp
线性
非线性误差δ f=(0.58/8.84) × 100％=6.6% 六、实验报告 1．根据实验所得数据，计算压力传感器输入 P（ P1-P2）—输出 Uo2 曲线。计算灵敏度 L= U/ P，非线性误差δ f 。 图 11-2 扩散硅压力传感器接线图
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 P1/kP
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 P2/ kP
