力敏传感器课件

l金属应变片式传感器金属应变片式传感器n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片l压阻式传感器压阻式传感器n压阻效应压阻效应n晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法n压阻系数压阻系数n固态压阻传感器固态压阻传感器n测量电路测量电路 应变式传感器应变式传感器金属应变片式传感器应变式传感器1优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广频率响应特性较好频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择一、一、金属应变片式传感器金属应变片式传感器金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。优点：精度高，测量范围广一、金属应变片式传感器缺点：2(一一)金属丝式应变片金属丝式应变片1 1、应变效应、应变效应当当金金属属丝丝在在外外力力作作用用下下发发生生机机械械变变形形时时，其其电电阻阻值值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，得电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。(一)金属丝式应变片3dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知将微分dR、d改写成增量R、，则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数称为金属丝的应变灵敏系数。dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r4物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS1+2；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。52341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl2 2、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅长栅宽栅宽2341电阻应变片结构示意图bl2、应变片的结构与材料（6（2）基底和盖片基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）引线引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）粘结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。（2）基底和盖片（3）引线（4）粘结剂73 3、主要特性、主要特性（1）灵敏度系数灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金金属属应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变在在很很宽宽的的范围内均为线性关系。范围内均为线性关系。即K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于线材恒小于线材的灵敏系数的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。可忽视的因素。3、主要特性8丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（2）横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（9若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度dl=r d上的应变可由材料力学公式求得每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为L1=n l若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应10应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令则可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。应变片敏感栅的总变形为11当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。当r=0时，可得轴向灵敏度系数12（3）机械滞后应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载载特特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。性与卸载特性不重合，即为机械滞后。产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。（3）机械滞后1机械应变卸载加载指示应变i应变13（4）零点漂移和蠕变对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性，称称为为应应变变片片的零点漂移的零点漂移。产产生生原原因因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。（4）零点漂移和蠕变14（5）应变极限在一定温度下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%）时时的的最最大大真真实实应应变变值值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。（5）应变极限lim真实应变z指示应变i应变片的应变极15（6）动态特性当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为f 的正弦应变波在构件中以速度v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。应变片对应变波的动态响应0应变片1lx1x（6）动态特性应变片对应变波的动态响应0应变片1lx116设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为应变片中点的应变为xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l 范围内的平均应变m，其数值等于l 范围内应变波曲线下的面积除以l，即设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为L17平均应变m与中点应变t相对误差为（%）1.620.52误差误差的计算结果的计算结果1/201/10由上式可见，相对误差的大小只决定于的比值，表中给出了为1/10和1/20时的数值。平均应变m与中点应变t相对误差为（%）1.620.518由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/101/20）时，将小于2%。因为式中应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。取，则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算，由上式可计算出栅长为出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。最高频率。由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈194、温度误差及其补偿温度误差及其补偿（1）温度误差温度误差用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。4、温度误差及其补偿20设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数。设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面21温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变形时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。温度变化形成的总电阻相对变化：22（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单23双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两两段段敏敏感感栅栅，随随温温度度变变化化而而产产生生的的电电阻阻增增量量大大小小相相等等，符符号号相反，相反，即(Ra)t=(Rb)t焊点RaRb双丝组合式自补偿应变片(Ra)t=(Rb)t24电路补偿法电路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。USCR2R4R1R3E桥路补偿法由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。电路补偿法USCR2R4R1R3E桥路补偿法25测量应变时，使使用用两两个个应应变变片片，一一片片贴贴在在被被测测试试件件的的表表面面，图中R1称为工作应变片。另另一一片片贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料相相同同的的补补偿偿块块上上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件26当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即=当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场27若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和和R2须须属属于于同同一一批批号号的的，即即它它们们的的电电阻阻温温度度系系数数、线线膨膨胀胀系系数数、应应变变灵灵敏敏系系数数K都都相相同同，两两片片的的初初始电阻值也要求相同；始电阻值也要求相同；用用于于粘粘贴贴补补偿偿片片的的构构件件和和粘粘贴贴工工作作片片的的试试件件二二者者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R28金属箔式应变片（二）（二）金属箔式应变片金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为(0.0030.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.030.05)mm。金属箔式应变片（二）金属箔式应变片29金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点特点。金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。便于成批生产。缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。30二、二、压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。（一）（一）压阻效应压阻效应单单晶晶硅硅材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后，其其电电阻阻率率发发生生明明显显变化，这种现象被称为压阻效应。变化，这种现象被称为压阻效应。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量二、压阻式传感器（一）压阻效应对半导体材料对金属材料31由于E一般都比（1+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式中压阻系数；E弹性模量；应力；应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。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。由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导32C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示（二）（二）晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法结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。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5.1-19所示。CZOBAXY11晶体晶面的截距表示（二）晶向、晶33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。此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y34而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面晶面符号为(hkl)，晶面全集晶面全集符号为hkl，晶向符号为hkl，晶向晶向全集全集符号为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。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。在立方晶体中，所有的原子可看成是分布在与上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在与两侧晶面相平行的一簇晶面上，要区分这不同的晶面，需采用密勒指数来对晶面进行标记。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时，密勒指数就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶体全集分别表示为(111)、111、111、111。而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符35若晶面与任一晶轴平行，则晶面符号中相对于此轴的指数等于零，因此与X轴相交而平行于其余两轴的晶面用(100)表示，其晶向为100；与Y轴相交面平行于其余两轴的晶面为(010)，其晶向为010；与Z轴相交而平行于X、Y轴的晶面为(001)，晶向为001。同理，与X、Y轴相交而平行于Z轴的晶面为(110)，其晶向为110；其余类推。硅立方晶体内几种不同晶向及符号如图。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内集中不同晶向与晶面（b）（a）若晶面与任一晶轴平行，则晶面符号中相对于此轴的指数等于零，因36对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中，(111)晶面上的原子密度最大，(100)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(111)晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(100)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杯形的压阻芯片。对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅37（三）压阻系数1、压阻系数的定义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。即单晶硅的压阻系数矩阵为（三）压阻系数382007（100）晶面上的压阻系数曲线2007（100）晶面上的压阻系数曲线3920071.单晶硅压阻系数：当单晶硅受到一定的应力时，单晶硅压阻系数：当单晶硅受到一定的应力时，单晶硅压阻系数：当单晶硅受到一定的应力时，单晶硅压阻系数：当单晶硅受到一定的应力时，其电阻率随应力变化具有线性关系。其电阻率随应力变化具有线性关系。其电阻率随应力变化具有线性关系。其电阻率随应力变化具有线性关系。2.压阻效应的各向异性：半导体压力传感器一般压阻效应的各向异性：半导体压力传感器一般压阻效应的各向异性：半导体压力传感器一般压阻效应的各向异性：半导体压力传感器一般常选用（常选用（常选用（常选用（001001）、（）、（）、（）、（011011）、（）、（）、（）、（211211）三个晶面，）三个晶面，）三个晶面，）三个晶面，因为在这三个晶面上都具有某一个或几个晶向因为在这三个晶面上都具有某一个或几个晶向因为在这三个晶面上都具有某一个或几个晶向因为在这三个晶面上都具有某一个或几个晶向上压阻系数较大的特点。上压阻系数较大的特点。上压阻系数较大的特点。上压阻系数较大的特点。2007单晶硅压阻系数：当单晶硅受到一定的应力时，其电阻率随402007200741力敏传感器课件42多向应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的的电阻率变化，引起电阻的变化，其相对变化dR/R与应力的关系如下式。在正交坐标系中，坐标轴与晶轴一致时，有式中l纵向应力；t横向应力；s与l、t垂直方向上的应力；l、t、s分别为l、t、s相对应的压阻系数，l表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向一致时的压阻系数，t表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向垂直时的压阻系数。多向应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的的电阻率43当坐标轴与晶轴方向有偏离时，再考虑到ss，一般扩散深度为数微米，垂直应力较小可以忽略。因此电阻的相对变化量可由下式计算（5.1-56）式中l、t值可由纵向压阻系数11、横向压阻系数12、剪切压阻系数44的代数式计算，即（5.1-57）（5.1-58）式中l1、m1、n1压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦；l2、m2、n2横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；11、12、44单晶硅独立的三个压阻系数，它们由实测获得数据，在室温下，其数值见表5.1-3。当坐标轴与晶轴方向有偏离时，再考虑到ss，一般扩44表表5.1-311、12、55的数值（的数值（10-11m2/N）晶体导电类型电阻率111244SiP7.8+6.6-1.1+138.1SiN11.7-102.2-53.5-13.6从上表中可以看出，对于P型硅，44远大于11和12，因而计算时只取44；对于N型硅，44较小，11最大，1211/2，因而计算时只取11和12。晶体导电电阻率111244从上表中可以看452、影响压阻系数的因素影响压阻系数因素：扩散电阻的表面杂质浓度和温度。扩散杂质浓度NS增加时，压阻系数就会减小。压阻系数与扩散电阻表面杂质浓度NS的关系如图。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS/cm-3P型Si(44)N型Si(-11)11或44/10-11m2/NT=24压阻系数与表面杂质浓度NS的关系2、影响压阻系数的因素1201401008060402046表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢，如图。为了降低温度影响，扩散电阻表面杂质浓度高些较好，但扩散表面杂质浓度高时，压阻系数要降低。N型硅的电阻率不能太低，否则，扩散P型硅与衬底N型硅之间，PN结的击穿电压就要降低，而使绝缘电阻降低。因此，采用多大表面杂质浓度进行扩散为宜，需全面考虑表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高47（四）（四）固态固态压阻传感器压阻传感器1 1、固态压阻传感器的结构原理、固态压阻传感器的结构原理利用固体扩散技术，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，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻传感器，如图所示。1N-Si膜片(硅杯)2P-Si导电层3粘贴剂4硅底座5引压管6Si保护膜7引线（四）固态压阻传感器1N-Si膜48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。（a）001100010llttR（b）trlrttlt图5.1-24力敏电阻受力情况示意图RrRt当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图(49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，即（5.1-60）（5.1-61）以上各式中的l及t为任意纵向和横向的压阻系数，可用（5.1-57）和（5.1-58）式求出。在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向50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，其膜片的应力分布可由（5.1-52）、（5.1-53）两式推导得到，即（5.1-62）（5.1-63）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）。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51trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2图5.1-25平膜片的应力分布图根据上两式作出曲线（见图5.1-25）就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。当x=0.635r时，r=0；x0，即为拉应力；x0.635r时，r0，即为压应力。当x=0.812r时，t=0，仅有r存在，且rRi，略去上式中的高阶微量，并利用式得到上式表明：1、等臂电桥上式表明：58当RiR时，输出电压Ug与应变间呈线性关系。若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。当仅桥臂AB单59当考虑单臂工作时，即AB桥臂变化R，则由上式展开级数，得则电桥的相对非线性误差为可见，K愈大，愈大，通常KR，上式仍可化简为(5.1-28)式，这时输出电压与应变成正比。2、第一对称电桥UgR2=RR4=RR1=RR3=RE第613、第二对称电桥半等臂电桥的另一种形式为R1=R3=R，R2=R4=R，称为第二对称电桥。若R1有一增量R，则UgR2=RR4=RR1=RR3=RE第二对称电桥BACD当k1(RR)时，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大；当k远小于1时，其非线性可得到很好改善；当k=1时，即为等臂电桥。3、第二对称电桥UgR2=RR4=RR1=RR3=RE第62若RR，忽略上式分母中项，得到可见，在一定应变范围内，第二对称电桥的输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出等臂电桥的输出电压小倍。n交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、外界干扰和电源影响小及造价低等优点，但存在工作频率上限较低、长导线时分布电容影响大等缺点。n直流放大器工作频带宽，能解决分布电容问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造价较高。近年来随着电子技术的发展，在数字应变仪、超动态应变仪中已逐渐采用直流放大形式的测量线路。若RR，忽略上式分母中项63USCRR+RT图5.1-27恒流源供电ACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTE4、测量桥路及温度补偿为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电，如图(5.1-27)所示。假设电桥中两个支路的电阻相等，即RABC=RADC=2（R+RT），故有因此，电桥的输出为整理后得USC=IR(5.1-65）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。IUSCRR图5.1-27恒流源供电ACDBRRR+64（1）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5.1-28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：R2R4R1R3USC图5.1-28温度漂移的补偿RpBCDARSEDi（1）零点温度补偿R2R4R1R3USC图5.1-2865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。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。由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，66根据低温与高温下B、D两点的电位应该相等的条件，得（5.1-65）（5.1-66）设RS、RP的温度系数、为已知，则得（5.1-67）（5.1-68）根据以上四式可以计算出RS、RP、RS、RP。实际上只需将（5.1-67）、（5.1-68）二式代入（5.1-65）、（5.1-66）中，计算出RS、RP，再由RS、RP可计算出常温下RS、RP的数值。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。根据低温与高温下B、D两点的电位应该相等的条件，得67（2）灵敏度温度补偿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。补偿灵敏度温漂可以采用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。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5.1-28。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。（2）灵敏度温度补偿68根据电桥的输出，应有若传感器低温时满量程输出为USC，高温时满量程输出为USC，则USC=USCUSC，因此而R/R可根据常温下传感器的电源电压与满量程输出计算，从而可以求出USC。此值，便是为了补偿灵敏度随温度下降，桥压需要提高的数值E。当n只二极管串联时，可得nT=E式中二极管PN结正向压降的温度系数，一般为-2mV/；n串联二极管的个数；T温度的变化范围。根据电桥的输出，应有69根据上式可计算出用这种方法进行补偿时，必须考虑二极管正向压降的阈值，硅管为0.7V，锗管为0.3V。因此，要求恒压源提供的电压应有一定的提高。下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图。它由应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及电压一电流转换单元等组成。根据上式可计算出70稳压源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA输出放大及转换应变电桥（319）mARr（420）mA恒流源稳压源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI171电桥由电流值为1mA的恒流源供电。硅杯未承受负荷时，因R1=R2=R3=R4，I1=I2=0.5mA，故A、B两点电位相等（UAC=UBC），电桥处于平衡状态，因此电流I0=5mA。硅杯受压时，R2减小，R4增大，因I2不变，导致B点电位升高。同理，R1增大，R3减小，引起A点电位下降，电桥失去平衡（其增量为UAB）。A、B间的电位差UAB是运算放大器A1的输入信号，它的输出电压经过电压电流变换器转换成相应的电流（I0+I0），这个增大了的回路电流经过反馈电阻RF，使反馈电压增加UF+UF，于是导致B点电位下降，直至UACUBC。扩散硅应变电桥在差压作用下达到了新的平衡状态，完成了“力平衡”过程。当差压力量程上限值时，I0=20mA，变送器的净输出电流I204=16mA。电桥由电流值为1mA的恒流源供电。硅杯未承受72