2013第二章第四节应变式压力传感器2013.pptVIP

（2）应变式压力传感器 应变式压力传感器包括两个主要部分:一个是压力敏感元件(一般为弹性元件)，利用它把被测压力的变化转换为弹性体应变量的变化;另一个是贴在压力敏感元件上的应变片，其作用是把应变量的变化转换为电阻量的变化，从而完成压力-电阻的转换。 BPR-2型压力传感器如上图所示。应变筒1的上端与外壳2固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片PJ-320型康铜丝应变片r1和r2用特殊胶合剂贴紧在应变筒1的外壁上。 r1沿应变筒的轴向贴放，作为测量片; r2沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片与筒体之间不发生滑动现象，且应保持电气绝缘。 当被测压力p作用于不锈钢膜片而使应变筒轴向受压产生变形，沿轴向贴放的应变片r1将产生轴向压缩应变?x1，于是r1的阻值变小。与此同时，沿径向贴放的应变片r2也将产生径向应变?y2 ，根据公式-?y2=+??x1, 于是r2的阻值变大。由于?小于１，故实际上r1的减小量比r2的的增大量大。r1和r2由直径为0.025mm的康铜丝制成，电阻值均为320?。 　将应变片rl和r2按上图 (b)的方式接入测量电桥中。当有p作用时，“r1”阻值变为r1-?r1，”r２”阻值变为r２+?r２，使r1和r2与另外两个固定电阻r3和r4组成的电桥失去平衡，获得不平衡电压?U作为压力传感器的输出信号。当桥路供电电压为10V时，桥路可以得到最大5mV的直流输出信号。BPR-2型压力传感器在使用时，测量上限一般不超过仪表量程的80%为宜，各种技术条件不得超过规定的指标。 ` 二、压阻式压力传感器1、传感器原理 当在半导体的晶体结构上施加压力时，会改变半导体的导电机构，表现为它的电阻率? 的变化，这一物理现象称为压阻效应。 d?/? = ? ? = ? E? ?为应力（N/m2）， ?为压电电阻系数（m2/N），E为弹性模量（N/m2）， ?为轴向应变。 dR/R=(1+2?) ? + d?/? =(1+2?) ? + ? E? = K0 ? K0= (1+2?)+ ? E，K0 为半导体灵敏系数，对于半导体材料，? E比(1+2?)大得多，故(1+2?) 可忽略，K0= ? E 半导体受力变形后的电阻的变化率dR/R主要由d?/?引起，这就是压阻式传感器元件所依据的原理。需要说明的是：经过掺杂的半导体材料（如单晶硅或锗）有晶体的属性，即各向异性，压阻系数?和弹性模量E随应力方向和晶轴方向的夹角而定，不象金属那样只有一个值。 一般金属的灵敏系数k0较小，半导体压阻元件的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大50~100倍。 2、硅压阻式压力传感器 硅单晶有良好的弹性变形性能和显著的压阻效应，利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产及使用方便等特点，是一种应用日益广泛、发展非常迅速的传感器。 早期的硅压力传感器称为半导体应变片式压力传感器，它的使用与金属应变片类似，只不过应变片是半导体硅制成的，即单晶硅在生产过程中掺入杂质硼，形成具有一定电阻率的晶体，并将单晶硅切割成薄片矩形条，粘贴在弹性元件上，并构成半桥或全桥测量电路。 随后这种半导体应变片的制作方法发生变化，发展成为在N型硅单晶片上选择适当位置，通过扩散制成厚度极薄的P型应变电阻条， P型应变电阻条与N型硅单晶基片（膜片）之间构成PN结，反向偏置后可使P型应变电阻条与N型硅单晶基片形成绝缘。 P型应变电阻条连接成惠斯顿电桥，这就是压阻式传感器芯片。把芯片粘贴在弹性元件上，芯片上的电桥在压力的作用下输出一正比于压力的电压信号。 以上讲的传感器由于采用了粘片结构，所以存在着较大的滞后和蠕动现象，精度不够高，固有频率低，小型集成化有困难等缺点。 随着集成电路技术的发展，出现了硅杯式扩散型压阻传感器，硅单晶片既是制成应变电阻的基片，又是承受压力的弹性元件。此外，还能把应变电阻条、补偿电路、信号调整电路，甚至运算处理电路集成在一块硅片上，制成“智能传感器”。 （1）扩散硅式传感器结构原理图?R/R= ? ? 因半导体材料的各向异性，对不同的晶轴方向其压阻系数不同，则有：?R/R= ?r ?r+ ?t ?t 式中 ?r、?t—径向压阻系数和切向压阻系数，大小由扩散电阻的晶向来决定。 ?r、?t —径向应力和切向应力，由扩散电阻的位置来决定。 扩散硅式传感器实质上是硅杯压阻式传感器，它以N型硅单晶基片（膜片）作敏感元件（周边固定的圆膜片）。如果膜片下部受均匀分布的压力作用时，膜片的