电阻传感器.ppt
10:41 AM,1,第三章 电阻式传感器,1,按被测量分类（一种宏观分类方法）,物理传感器:用于测量血压、体温、血流量、生物磁场等，被测量都是物理量。设计时多这些非电量的利用物理性质和物理效应。,化学传感器:用于测量人体内某些化学成分、浓度、PH值等，被测量都属于化学量（被测物质分子量较小）。设计时多利用电化学原理或物理效应。生物传感器：用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNA、RNA等物质，被测量都属于化学量（被测物质分子量较大）。利用生物活性物质具有的选择识别待测生物化学物质的能力而制成传感器。,生物医学传感器的分类,物理传感器（Physical Sensor）,物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应（如光电效应、压电效应、电磁效应、热电效应等)，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量能形式的信号（通常是电信号）的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的函数关系。,物理传感器是目前应用该范围最广，使用量最大的传感器。,按工作原理分类：光电式传感器 压电式传感器 应变式传感器 电容式传感器 电感式传感器 磁电式传感器 热电式传感器.,从被测对象分类：心音传感器 压力传感器 血流传感器 呼吸传感器 温度传感器.,物理传感器分类,10:41 AM,5,基本工作原理是将被测物理量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。包括电位器式、压阻式、热阻式、应变式等。,学习要点:1.应变式传感器：应变效应、电桥测量电路和温度补偿原理 2.压阻式传感器：压阻效应、测量桥路及温度补偿,工作原理,电阻式传感器,10:41 AM,6,第一节 电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。,10:41 AM,7,一、工作原理（电阻应变效应）,电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。,在未受到外力F的作用时，电阻值为：,10:41 AM,8,当受到拉力作用F后，电阻的变化量为全微分:,两边同除以R和L/A，电阻相对变化为,又因为,10:41 AM,9,据材料力学知识:,（小常识：泊松比是材料横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数，受几何形状变化的影响）代入上式得:,令=dL/L(纵向应变)，并用增量形式表示,10:41 AM,10,当受到拉力作用F后，电阻的变化量为:,-金属电阻丝的灵敏度系数,=dL/L(纵向应变),10:41 AM,11,1、应变的灵敏系数K0受二个因素的影响：,几何形状变化的影响,电阻率发生变化的影响,2、对于金属材料：,对于半导体材料：,压阻效应,应变效应,10:41 AM,12,二、应变片结构与类型,1、结构,电阻应变片由基底、敏感栅、盖片（有时加上引出线）组成。用粘贴剂将其粘贴在一起，构成完整的应变片。,10:41 AM,13,2、应变片的类型、材料及粘贴,(2)应变片的粘贴 粘贴在应变变化均匀且较大的地方。,（1）应变片的类型,10:41 AM,14,10:41 AM,15,常用金属电阻丝材料的性能,最常用,动态,中高温,高温,（3）应变片的材料,10:41 AM,16,三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨论）,1.灵敏系数,原因：1）粘贴层传递变形失真,2）横向效应。,且 kk0。,各种应变片,10:41 AM,17,2.横向效应,10:41 AM,18,3.机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。原因：残余应变；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,10:41 AM,19,4、零漂和蠕变,即：,即：,零漂：,蠕变：,原因：存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮,原因：绝缘电阻低、产生热电势等,10:41 AM,20,5、应变极限,6、电阻值或称原始电阻值,7、动态特性测量变化频率较高的动态应变时考虑。应变片反映敏感栅的平均应变。应变片传播速度V=声波，,10:41 AM,21,1).阶跃响应,10:41 AM,22,2).正弦应变波变化,设：在应变片任意位置上x，通过的应变波为：,10:41 AM,23,则基长l的平均应变:,若测出的是平均应变的最大值:,10:41 AM,24,相对误差:,10:41 AM,25,四、温度误差及补偿,1、温度误差：,1)敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化,电阻温度系数的影响和材料线膨胀系数的影响,10:41 AM,26,2)电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同，使电阻相对变化为：,式中m受力件材料的线膨胀系数；c电阻丝材料的线膨胀系数；K应变片灵敏度,总电阻温度相对误差：,10:41 AM,27,应变误差：,应力误差：,10:41 AM,28,【习题1】,一试件为钢材，电阻丝为康铜丝，c=1510-6/,m=1110-6/，在t=1时，,K=2，计算其电阻相对误差、应变误差、应力误差？,10:41 AM,29,通常有应变片自补偿和线路补偿。,2、温度补偿,（1)自补偿法,10:41 AM,30,(2)线路补偿法:电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。,Uo=A(R1R4-R2R3),R2,10:41 AM,31,10:41 AM,32,半桥进行补偿（另一种方法）,既实现了温度补尝，又实现了提高灵敏度的作用。,10:41 AM,33,五、测量电路,10:41 AM,34,直流电桥,当RL时，电桥输出电压为：,1.直流电桥平衡条件,（一）直流电桥,10:41 AM,35,当电桥平衡时，Uo=0，则,R1R4=R2R3,此式为电桥平衡条件，即：电桥相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。,10:41 AM,36,当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为：,2.电压灵敏度,10:41 AM,37,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，平衡条件R2/R1=R4/R3，则：,电桥电压灵敏度定义为：,10:41 AM,38,3.差动电桥,差动半桥,差动全桥,10:41 AM,39,（二）交流电桥,交流电桥,10:41 AM,40,C1、C2表示应变片引线分布电容。,可求得交流电桥的平衡条件为：,10:41 AM,41,交流电桥平衡调节,10:41 AM,42,六、应变片传感器的应用,10:41 AM,43,1)圆柱(筒)式力传感器,柱式,筒式,圆柱面展开图,桥路连线图,1、应变式力传感器,10:41 AM,44,与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。,结构图,2)环式力传感器,应力分布,10:41 AM,45,10:41 AM,46,10:41 AM,47,冲床生产记数和生产过程监测。,10:41 AM,48,10:41 AM,49,将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电量输出。,10:41 AM,50,膜片式压力传感器,应变变化图,应变片粘贴,2、应变式压力传感器,10:41 AM,51,3、容器内液重传感器,10:41 AM,52,应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。基本工作原理：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。,4、加速度传感器,10:41 AM,53,电阻应变式加速度传感器结构图,适用1060 Hz,a=F/m,10:41 AM,54,振动式地音入侵探测器:,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,10:41 AM,55,桥梁固有频率测量:,10:41 AM,56,压阻传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的一种新的物性型传感器。,第二节 压阻式传感器,10:41 AM,57,压阻式传感器分类,体型压力传感器：半导体应变式固态压阻式传感器（扩散型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化,10:41 AM,58,压阻式传感器的特点,灵敏度高:硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50100倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。分辨率高:由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，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，使用带宽可以从零频至100千赫兹。温度误差大:须温度补偿、恒温使用,10:41 AM,59,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温度系数小的应变式传感器的水平。,10:41 AM,60,压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻率（或电阻）发生变化的现象。半导体（单晶硅）材料受到外力作用，产生肉眼无法察觉的极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫半导体压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上，沿特定晶向制成应变电阻，构成惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集应力敏感与力电转换于一体的力学量传感器，称为固态压阻传感器。,一、压阻效应,10:41 AM,61,硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各种半导体器件中。硅有很好的机械特性。硅还具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。硅既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便于实现机电器件的集成化。硅成为一种重要的微机电系统材料，可作为微传感器、微执行器的基本材料。,10:41 AM,62,材料阻值变化：,10:41 AM,63,电阻相对变化量：,对金属材料：,10:41 AM,64,对半导体材料：,式中：压阻系数；E弹性模量；应力；应变。,由于半导体的E一般可达50-100,比（1+2）2 大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成：,10:41 AM,65,晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y、Z表示。,二、晶向的表示方法,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。,10:41 AM,66,硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示。,此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成：,10:41 AM,67,式中，p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。为了方便取其倒数得：式中，h、k、l也为没有公约数（1除外）的简单整数。依据上述关系式，可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。,10:41 AM,68,而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为(hkl)，晶面全集符号为hkl，晶向符号为 hkl，晶向全集符号为hkl。晶面所截的线段对于X轴，O点之前为正，O点之后为负；对于Y轴，O点右边为正，O点左边为负；对于Z轴，在O点之上为正，O点之下为负。,10:41 AM,69,依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方晶体中的晶面、晶向。,对立方晶系（x=y=z,xyz),面指数为（hkl)的晶面与密勒指数为hkl的晶向彼此垂直。,10:41 AM,70,例：,晶向、晶面、晶面族分别为：,晶向、晶面、晶面族分别为：,10:41 AM,71,判断两晶面垂直,两晶向Ah1k1l1 与Bh2k2l2:,10:41 AM,72,对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中，(1 1 1)晶面上的原子密度最大，(1 0 0)晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同，所表现出的性质也不同，如(1 1 1)晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(1 0 0)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。,单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅的压阻芯片。,10:41 AM,73,三、压阻系数,1、单晶硅的压阻系数,六个独立的应力分量：,六个独立的电阻率的变化率：,半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。,压阻系数,10:41 AM,74,电阻率的变化与应力分量之间的关系:,10:41 AM,75,分析:,剪切应力不可能产生正向压阻效应正向应力不可能产生剪切压阻效应剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应剪切压阻系数相等正向压阻系数相等横向压阻系数相等,10:41 AM,76,对P型硅(掺杂三价元素）：11、120，只考虑44：对N型硅(掺杂五价元素）：44 0，12-1/211，,压阻系数（10-11m2/N）,10:41 AM,77,2、任意方向（P方向）电阻变化,：纵向应力：横向应力：纵向压阻系数:横向压阻系数,10:41 AM,78,将各个压阻系数向P、Q方向投影:,已知：(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦,10:41 AM,79,关于方向余弦,某晶向xyz(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：,10:41 AM,80,例1：计算（100）晶面内011晶向的纵向与横向压阻系数。,设011与011晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2,10:41 AM,81,10:41 AM,82,10:41 AM,83,例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向与横向压阻系数。,设（110）晶面内晶向的一般形式为hkl,则：,10:41 AM,84,设 110 与 001 晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2,10:41 AM,85,10:41 AM,86,3、影响压阻系数的因素 扩散电阻的表面杂质浓度和温度。,扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小,10:41 AM,87,解释：,n：载流子浓度e：载流子所带电荷：载流子迁移率：电阻率,Ns杂质原子数多载流子多 n杂质浓度Ns n在应力作用下的变化更小/,10:41 AM,88,表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢,10:41 AM,89,解释：,T载流子获得的动能运动乱/Ns大，变化较小 变化小Ns小，变化大 变化大,Ns大：受温度影响小高浓度扩散，使p-n结击穿电压绝缘电阻 漏电漂移性能不稳定,10:41 AM,90,固态压阻压力传感器，诞生于六十年代末期。它较之传统的膜合力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目前仍是压力测量领域最新一代传感器。由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在传感器市场上，它已是压力传感器中的重要品种，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器，因此最受瞩目。,四、固态压阻器件,10:41 AM,91,利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片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。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯通电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示。,1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 粘贴剂 硅底座 引压管 Si 保护膜 7 引线,1、固态压阻器件的结构原理,10:41 AM,92,当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图(a)所示，其阻值的相对变化为：式中 l纵向应力；t横向应力；l纵向压阻系数；t横向压阻系数。,力敏电阻受力情况示意图,10:41 AM,93,在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向电阻和切向电阻，如图(b)所示。扩散电阻的长边平行于膜片半径时为径向电阻Rr；垂直于膜片半径时为切向电阻Rt。当圆形硅膜片半径比P型电阻的几何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下：,（b）,10:41 AM,94,若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为：式中r、x、h膜片的有效半径、计算点半径、厚度（m）；泊松系数，硅取=0.35；P压力（Pa）。,10:41 AM,95,t,r,r,t,t,r,3P,4,r,h,2,3P,4,r,h,2,3P(1+),8,r,h,2,平膜片的应力分布图,根据上两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。x=0.635r时，r=0；x0，即为拉应力；x0.635r时，r0，即为压应力。x=0.812r时，t=0，仅有r存在，且r0，即为压应力。,0,0.5,1,10:41 AM,96,方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应,在001晶向的N型硅膜片上，沿110与110两晶向扩散四个P型电阻条,10:41 AM,97,10:41 AM,98,1、在110晶向：扩散两个径向P型电阻,10:41 AM,99,2、在110晶向：扩散两个切向P型电阻,10:41 AM,100,所以：,10:41 AM,101,电阻变化与r的关系：,10:41 AM,102,如：扩散在0.812r处，此时t=0,10:41 AM,103,方案二：只利用纵向压阻效应,在110晶向的N型硅膜片上，沿110晶向在0.635r之内与之外各扩散两个P型电阻条，110的横向为001。,10:41 AM,104,110方向方向余弦：,001方向方向余弦：,10:41 AM,105,由于在0.635r半径之内r为正值，在0.635r半径之外r负值，内、外电阻值的变化率应为,即可组成差动电桥。,式中、内、外电阻所受径向应力的平均值,内外电阻的相对变化。,设计时，适当安排电阻的位置，可以使得:,=,于是有,10:41 AM,106,1、恒压源供电 扩散电阻起始阻值都为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为Rt：,五、测量桥路及温度补偿,10:41 AM,107,电桥输出为：,当Rt=0时：,Rt0时，Uout=f(t)是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。,10:41 AM,108,2、恒流源供电,10:41 AM,109,可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关。但与温度无关，因此不受温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。,10:41 AM,110,3.零点温度补偿 零点温度漂移是由于四个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，如图所示。其中，RS是串联电阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。补偿原理如下：,10:41 AM,111,由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，当温度升高时，R2的增加比较大，使D点电位低于B点，B、D两点的电位差即为零位漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的办法是在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。这样，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，如在R3上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行补偿，作用是一样的。,10:41 AM,112,下面给出计算RS、RP的方法。设R1、R2、R3、R4与R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，RS、RP与RS、RS分别为RS、RP在低温与高温下的欲求数值。,根据低温与高温下B、D两点的电位应该相等的条件，得：,设RS、RP的温度系数、为已知，则得,计算出RS、RP后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，便可起到温度补偿的作用。,10:41 AM,113,3、灵敏度温度漂移,漂移的原因：压阻系数随温度变化引起,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。,10:41 AM,114,补偿方法：改变电源流电压的方法,10:41 AM,115,因为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降约减小(1.92.5)mV。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见图。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。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。,方法2：串联正向二极管,10:41 AM,116,压阻式传感器常用补偿方法,硬件线路补偿软件补偿专用补偿芯片补偿 MCA7707是一种采用CMOS工艺的模拟传感信号处理器。它通常被应用于于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。,10:41 AM,117,MPX4100A系列集成硅压力传感器,10:41 AM,118,应用三角翼表面压力测量,10:41 AM,119,压阻式加速度传感器,悬臂梁单晶硅衬底采用（001）晶向，沿110与 110晶向分别扩散二个(P型)电阻条,m：质量块的质量(kg)b,h：悬臂梁的宽度和厚度（m）l：质量块的中心至悬臂梁根部的距离（m）a：加速度(m/s2),10:41 AM,120,微机电系统的微细加工技术,微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度有关,对硅材料进行精细加工,制作复杂微小的敏感元件的技术。1)体型结构腐蚀加工 体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）技术。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。,10:41 AM,121,如图(a)、(b)所示,先在单晶硅的（100）晶面生长一层氧化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸入氢氟酸中,进行氧化层腐蚀。然后将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺邻苯二酚水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（111）面,与（100）表面的夹角为54.74,如图(c)所示。,单晶硅立体结构的腐蚀加工过程,10:41 AM,122,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。在SiO2层及余下的Si3N4上生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁,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。,表面腐蚀加工牺牲层技术形成硅梁过程,10:41 AM,123,10:41 AM,124,内容小结,压阻式传感器的工作原理压阻效应、晶面晶向的表示(密勒指数、方向余弦)压阻系数、阻值变化的计算纵、横向压阻系数的计算任意方向电阻条电阻变化的计算温度漂移及其补偿,
