第5章 常用物性型传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2023）

第5章 常用物性型传感器 第5章 常用物性型传感器 5.2 压电式传感器 5.1 压阻式传感器 5.3 光电式传感器 5.1 压阻式传感器 5.1.3 温度补偿原理与方法 5.1.1工作原理 5.1.2 结构与类型 压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的，主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。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粘贴式的应变片，这在第四章的电阻应变式传感器中已介绍过。另一种是在半导体的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，用它作为传感元件制成的传感器，称固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。 5.1 压阻式传感器 5.1.1 工作原理 在第4章已讲过，任何材料发生变形时电阻的变化率由下式决定： 对于半导体材料而言，R/R=(1+2)+/=(1+2)+，它由两部分组成：前一部分(1+2)表示由尺寸变化所致，后一部分表示由半导体材料的压阻效应所致。实验表明：>>1+2，也即半导体材料的电阻值变化主要是由电阻率变化引起的。因此可有： 其中，表示压阻系数。半导体电阻率随应变所引起的变化称为半导体的压阻效应。 2. 晶向的表示方法 扩散型压阻式传感器的基片是半导体单晶硅，而单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性也不一样。取向是用晶向来表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向，晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。 对于图5-1所示的平面，如果用截距法，可表示为 如果用法线法，可表示为 半导体材料（一般是单晶硅），沿三个晶轴方向取出一微元素，单晶硅上受到作用力时，微元素上的应力分量应有9个（如图5-3所示），但剪切应力总是两两相等的，即有：23=32，13=31，12=21，9个分量中只有6个是独立的，即：11、22、33、23、31、12是独立的 3. 压阻系数 6个独立应力分量可写成：1、2、3、4、5、6。有应力存在就会产生电阻率的变化。6个独立应力分量分别可在6个相应的方向产生独立的电阻率的变化，若电阻率的变化率/用符号表示，则6个独立的电阻率的变化率可写成：1、2、3、4、5、6。 电阻率的变化率与应力之间通过压阻系数相联系，6个独立的电阻率的变化率与6个独立的应力分量之间的压阻系数关系如表5-1所示。 3. 压阻系数 3. 压阻系数 压阻系数的矩阵为： 返回 5.1.2 结构与类型 硅压阻式传感器由外壳、硅膜片和引线组成，其结构原理参见图5-4所示。其核心部分做成杯状的硅膜片，通常叫做硅杯。外壳则因不同用途而异。在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做四个相等的电阻，经蒸镀铝电极及连线，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，通常和大气相通，也有做成真空的。 压阻式传感器的结构原理 由图5-5可见，均布压力P产生的应力是不均匀的，且有正应力区和负应力区。当r =0.635r0时，r =0；当r <0.635r0时，r >0，即为拉应力；当r >0.635r0时，r <0，即为压应力。当r =0.812r0时，t =0，仅有r存在，且r <0，即为压应力。利用这一特性，选择适当的位置布置电阻，使其接入电桥的四臂中，两两电阻在受力时一增一减，且阻值增加的两个电阻和阻值减小的两个电阻分别对接，形成差动全桥。 5.1.2 结构与类型 压阻式传感器的基本类型 压阻式压力传感器 压阻式加速度传感器 返回 5.1.2 结构与类型 由于半导体材料对温度比较敏感，压阻式传感器的电阻值及灵敏度系数随温度变化而改变，将引起零点温度漂移和灵敏度漂移，因此必须采取温度补偿措施。 1. 零点温度补偿 零点温度漂移是由于扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图5-7所示。 5.1.3 温度补偿原理与方法 灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小，温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。 温度升高时，若提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，反之，温度降低时，若使电源电压降低，电桥的输出适当减小，便可以实现对传感器灵敏度的温度补偿。如图5-7所示，在电源回路中串联二极管进行温度补偿，电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。 2. 灵敏度温度补偿 返回 首页 5.2 压电式传感器 5.2.1压电效应及压电材料 5.2.2 等效电路及测量电路 5.2.3 影响压电式传感器性能的主要因素 某些介质材料在受力作用下，其表面会有电荷产生。根据这种现象制成的压电式传感器，是一种有源的