《传感器原理》PPT课件.ppt

1,第三章,力/压力敏传感器,2,应变片,金属应变片半导体应变片,将应变转换为电阻变化。,3.1.1 金属应变计,一、金属应变片的基本原理:,应变效应：受外力F拉伸时，l增加，s减小。,3,二、金属应变片的结构和分类,组成四部分：1、金属电阻丝；2、基底;3、覆盖层；4、引出线；5、粘结剂；,3.1 电阻应变计,4,分类,回线式应变片,丝式应变片,短接式应变片,箔式应变片：很薄的金属片(康铜),薄膜应变片：薄膜被直接沉积在弹性基底,3.1 电阻应变计,箔 b：金属制成的薄片。如：金箔、银箔、铜箔、锡箔。铂(Pt)b：一种银白色的贵金属元素，用于耐腐蚀的化学仪器等。通称“白金”，铂和铱的合金是制造自来水笔笔尖的材料。,5,四、温度和蠕变补偿应变计,1.电阻值(R0)；2.灵敏系数(K0)；3.机械滞后；4.蠕变(t)；5.零漂；6.绝缘电阻；,2.蠕变自补偿应变计 使弹性材料(正蠕变)与应变计胶粘剂系统(负蠕变)相匹配。,3.1 电阻应变计,三、金属应变片的参数,6,E,T,d,=,p,r,r,e,p,=,=,e,r,r,K,E,d,R,dR,=,3.1 电阻应变计,3.1.2 半导体应变片,一、压阻效应 固体都有压阻效应，其中以半导体材料最为显著。半导体材料受到应力作用时，晶格间距发生变化，使其电阻率发生变化。,7,二、压阻系数,立方体各面的应力示意图,单晶材料的晶体结构各向异性，在不同晶面上的压阻系数不同。六种外力：沿x、y、z的轴向应力T1、T2、T3绕x、y、z轴转动的剪切力T4、T5、T6；,3.1 电阻应变计,半导体的压阻系数很大，K一般在50100，比金属的灵敏度高很多。,8,电阻率的相对变化与应力间的关系为：,3.1 电阻应变计,9,ii(i为1、2、3)为纵向压阻系数：沿着晶轴方向的应力对此方向电阻率的影响，立方晶系的x、y、z方向的纵向压阻系数相等。ij(ij；i,j为1、2、3)为横向压阻系数：沿某晶轴方向的应力对沿与其垂直的另一晶轴方向电阻率的影响，立方晶系的横向压阻系数都相同。kk（k为4、5、6）为剪切压阻系数：剪切应力对其相应剪切面的电阻率分量的影响，立方晶系的三个剪切压阻系数相等。,3.1 电阻应变计,10,晶向和晶面晶面的法线方向即晶向。法线在，轴的截距分别为r，s，t。r,s,t的倒数为h，k，l。晶向hkl晶面（hkl）,3.1 电阻应变计,11,二、半导体应变片,1、体型半导体应变计 v 结构组成：硅条、内引线（金丝）、基底（绝缘胶膜）、电极（连接点、康铜箔）、外引线（镀银铜线）。,3.1 电阻应变计,体型半导体应变计扩散型半导体应变计SOI外延扩散型半导体应变计,12,单晶(a)切片(b)研磨(c)切条(d)焊引线(e)粘衬底(f),工艺流程：P-Si的（111）轴向压阻系数最大，选此方向为压阻纵向。,3.1 电阻应变计,13,在硅衬底上扩散相应杂质构成应变敏感栅电阻。,扩散型半导体应变计的结构,2、扩散型半导体应变计,v 特点：灵敏系数高；可构成半桥或全桥结构，使温度特性及稳定性都较好；易实现微型化、集成化、智能化。,3.1 电阻应变计,14,v 分类,直线式折线式,胖型瘦型,3.1 电阻应变计,15,直线扩散型电阻的阻值,3.1 电阻应变计,电阻的设计：,扩散型半导体应变计的温度局限性 敏感栅与衬底间由PN结隔离，在150以上隔离效果恶化,使两者之间电流泄漏。,16,3、SOI外延扩散型半导体应变计,SOI工艺，即外延生长半导体Si薄膜、扩散掺杂。适用于150200左右高温环境。,3.1 电阻应变计,17,一、直流电压源单臂电桥,1.平衡条件,在不考虑温度下，单臂桥的输出电压：,选R2的零应变电阻值使电桥达到平衡，即输出电压为零。平衡条件为,R1R4=R2R3,3.1.3 应变计的测量原理和测量线路,-R1、R3和R4固定,R2随应变变化。,3.1 电阻应变计,18,2.有应变时 应变片电阻的变化为R2，则电桥输出电压U0为：,设n=R1/R2，R2R2，分母R2/R2可忽略，上式化简为：,3.1 电阻应变计,19,二、半桥差动电路,若一个应变片受拉力，一个受压力，受应变的符号相反，接入电桥的相邻臂上，该电桥的输出电压U0为：,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则简化为：,比单臂应变片电压灵敏度提高了一倍。,3.1 电阻应变计,20,若四臂接入四片应变片，两个受拉力，两个受压力，变化符号相同的接入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，R1=R2=R3=R4，则输出电压为：,电压灵敏度比用单片提高了4倍，比半桥差动电路提高了1倍。,三、全桥差动电路 1、不考虑温度对电阻的影响,3.1 电阻应变计,21,2、考虑温度的影响各电阻受温度变化同为RT，则输出电压表示为：,表明了输出结果与温度有关。,3.1 电阻应变计,22,3.2.1 压电式传感器的基本原理,压电效应,正压电效应,逆压电效应,形变产生的极化,电能变成机械能,3.2 压电式力传感器,23,正压电效应-晶体在外力下发生变形，表面产生电荷的效应；逆压电效应-晶体在电场作用下发生应力、应变的现象；压电晶体-具有压电效应的晶体；压电材料-具有压电效应的电介质材料；天然压电材料：石英 人工合成压电材料：压电陶瓷和压电薄膜材料结构的对称中心：无对称中心的晶体-将受力前后正负电荷中心不重合的晶体；有对称中心的晶体-将受力前后正负电荷中心重合的晶体。,一、基本概念,3.2 压电式力传感器,24,无对称中心的晶体,晶体不受外力时：正负电荷重心重合，单位体积中极化强度为零，对外不呈现极性；晶体受外力时：外力作用下晶体形变，正负电荷的重心不再重合，单位体积极化强度不等于，对外表现出极性。,3.2 压电式力传感器,25,有对称中心的晶体,无论有无外力作用，正负电荷重心总重合，不会出现压电效应。晶体结构中无对称中心是产生电压效应的必要条件。,3.2 压电式力传感器,26,3.2.2 典型材料的压电效应,压电效应材料,压电单晶材料,压电多晶材料,压电有机材料,一、石英晶体,性能稳定、应用最广的压电晶体。有天然石英和人造石英。天然石英性能较人造石英更稳定，介电常数和压电常数的稳定性好，机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性范围宽。,3.2 压电式力传感器,27,1.石英晶体的压电性能,-石英：石英晶体低于573为六角晶系；(六角形晶柱、六梭锥端部)压电效应很明显-石英：石英晶体高于573为三角晶系。压电效应可忽略。,3.2 压电式力传感器,573居里温度点,28,-石英的z轴、x轴、y轴:z轴(光轴)：与六个平行面平行的方向，光线通过z轴时不发生折射；x轴(电轴)：与z轴垂直，且经过六棱柱棱线的轴y轴(机械轴)：垂直于xz平面的轴。,3.2 压电式力传感器,29,纵向压电效应：沿x轴方向施加作用力，在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象；横向压电效应：沿y轴施加作用力，在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象；沿z轴施加力不产生压电效应。,3.2 压电式力传感器,30,因石英晶体的对称性，只有d11,d14独立，d12=-d11，d25=-d14，d26=-2d11。实验测得：d112.3110-12CN-1,d14=0.7310-12CN-1。对于右旋石英晶体d110。左旋石英晶体符号相反。,压电效应矩阵表达式：,3.2 压电式力传感器,31,在不同方向上压电效应强弱不同；沿不同方位切割不同切型的压电常数、介电常数、电转换效率不同。,3.2 压电式力传感器,32,压电效应材料,压电单晶材料,压电多晶材料,压电有机材料,天然压电材料：石英人工合成压电材料：压电陶瓷和压电薄膜石英:三个晶轴:光轴/电轴/机械轴居里温度点纵向压电效应横向压电效应,3.2 压电式力传感器,上节课回顾,33,是多晶体，晶粒自发极化形成电畴；刚烧结的陶瓷内电畴无规则排列，电畴极化效应互相抵消，呈电中性；不具有压电效应。,二、压电陶瓷,1.压电陶瓷的压电效应,v 原始状态：,3.2 压电式力传感器,34,v 电场作用：,极化处理：施加强电场(2030KV/cm的直流电场)，23小时。电畴自发极化方向旋转到与外电场方向一致；两端发现极化电荷。具有压电效应。,3.2 压电式力传感器,35,压电陶瓷的z轴、x轴、y轴：Z轴：极化方向定义为压电陶瓷的z轴方向。X轴、y轴：垂直于z轴的平面上的任何直线都可以取作x轴或y轴。X轴和y轴的压电效应等效。,3.2 压电式力传感器,36,v 去除电场：,形成很强的剩余极化，吸附外界自由电荷。陶瓷对外不显极性。,v 外力作用：,发生形变，电畴偏转，极化强度变化，吸附电荷能力变化，形成放电现象。,3.2 压电式力传感器,37,2.压电陶瓷材料 按组成的材料成分分类,v 二元系陶瓷(两种化合物固溶形成)BaTiO3(钛酸钡)系列 Pb(ZrTiO3)锆钛酸铅系列 铌酸盐系列,3.2 压电式力传感器,38,BaTiO3(钛酸钡)系列 压电常数大(是石英晶体的几十倍)温度稳定性不好(居里温度点115oC，最高使用温度80oC)机械强度差Pb(ZrTiO3)锆钛酸铅系列(PZT)压电常数较大 温度稳定性好(250oC)是应用最普遍的压电陶瓷材料。铌酸盐系列 压电性能比较稳定,3.2 压电式力传感器,39,v 高分子压电材料,高分子材料高分子与PZT等陶瓷的复合材料,灵敏度高(10倍以上)声阻抗小,v 三元系陶瓷(三种化合物固溶形成)铌镁酸铅系列铌锰酸铅系列镁碲酸铅系列锑铌酸铅系列,3.2 压电式力传感器,40,聚偏二氟乙烯(PVF2)是一种高分子半晶态聚合物 可制成薄膜、厚膜和管状 高电压灵敏度(比PZT大17倍)动态品质非常好 机械性能好 声阻抗小(近似水阻抗),3.2 压电式力传感器,41,一、压电式压力传感器用于测量动态压力，不用于静态压力测量。,v 组成：本体(具体结构)弹性敏感元件（一级敏感、膜片）压电转换元件(二级敏感、石英),3.2.4 压电式传感器的应用,3.2 压电式力传感器,42,v 原理：膜片受压力P作用；传力块将膜片的压力施加到两片石英上；石英输出总电荷量 Q=2d11AP d11为压电常数 A为膜片有效面积 P为膜片压力 由电荷放大器电路读出产生的电荷值。,膜片式压电压力传感器,3.2 压电式力传感器,43,v 组成：压电片(双片，电压串联、电荷并联)质量块(体积质量较大的材料，钨或重合金)硬弹簧(实现预压紧力)厚基座封装壳。,压电式加速度测量装置,二、压电式加速度传感器,3.2 压电式力传感器,44,v 组成：压电片、质量块、弹簧、基座、封装壳。v 原理：加速度a经质量块M产生惯性力 F=ma 惯性力作用于石英，产生电荷：Q=dijma 由电荷放大电路获得电荷量。,压电式加速度测量装置,二、压电式加速度传感器,3.2 压电式力传感器,45,三、压电式力学量传感器的主要性能,1.灵敏度,v 电荷灵敏度：,测量力F时,Q为输入电荷；J为输入力学量,n为晶片数目，d11纵向压电常数,3.2 压电式力传感器,46,测量加速度时：,v 电压灵敏度：,USC为输出电压，Ca为压电元件的电容。,测量加速度时：,m为质量块质量，d11纵向压电常数,m为质量块质量，d11纵向压电常数，Ca为压电元件的电容。,3.2 压电式力传感器,47,2.频率特性,相对灵敏度K（=Q/a）与频率比/0的关系曲线,压电式加速度传感器的频响特性,3.2 压电式力传感器,48,高频响应特性好：频率很小时，K接近常数；频率比在1.0附近时，灵敏度有极大值。,3.2 压电式力传感器,49,3.3 其它力/压力传感器,3.3.1 电容式压力传感器,v 特点：具有更高的温度稳定性；敏感电容器和检测电路集成在一起；,v 原理：力/压力位移量电容,v 电容极板的结构形式：一类：在硅膜上取适当的晶向蚀刻一薄硅片；喷镀有电极的玻璃板。另一类：蚀刻两个硅膜片。,50,电容式压力传感器的结构示意图,当硅膜片上下表面存在压力差时，膜片产生形变，电容极板间距发生变化。,v 电容式压力传感器在输液器的应用,3.3 其它力/压力传感器,51,不同输液状态下的管内压力情况,P0为正常时的压力；Pn为输液管内有气泡或无液体时的压力；Ph为输液管阻塞时的压力。,3.3 其它力/压力传感器,52,测出压力P0、Pn和 Ph，用来报警；P0、Pn和 Ph的量值大小与输液管的材料、壁厚、内径以及药液浓度等有关。,3.3 其它力/压力传感器,53,3.3.2 电感式压力传感器,一、工作原理 力/压力位移量电感,组成：弹性元件、衔铁、铁芯、线圈组成。衔铁和铁芯间的气隙随着外力F(压力P)的变化。,变间隙式电感压力传感器,3.3 其它力/压力传感器,54,线圈的电感L,N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻（1/H）,l为磁路长度（m）；为导磁体的导磁率（H/m）；A为导磁体的截面积（m2）；为气隙量（m）；0为空气的导磁率（410-7H/m）。,3.3 其它力/压力传感器,55,气隙的磁阻比导体的磁阻大得多，磁阻可表示为：,线圈通以交流电源，则流过线圈电流为：,力(压力)引起衔铁的位置(气隙)的变化，线圈的电感量L、电流I会发生相应的变化。,U为交流电压（V），为交流电源角频率（弧度/秒）,3.3 其它力/压力传感器,56,二、电感式压力传感器,组成：由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒上端连在一起。原理：压力P进入膜盒时，膜盒的顶端产生位移，衔铁移动使气隙发生变化，磁阻变化，电流表A示数变化。,气隙电感式压力传感器结构图,3.3 其它力/压力传感器,57,三、变隙式差动电感压力传感器,电感压力传感器结构图,3.3 其它力/压力传感器,58,三、变隙式差动电感压力传感器,组成：C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。原理：被测压力进入C型弹簧管，使弹簧管产生变形；弹簧管的自由端发生位移，与自由端固连的衔铁发生位移，使线圈1和线圈2的电感量发生变化。电感的变化通过电桥电路转换成电压输出。,3.3 其它力/压力传感器,