扩散硅压阻式压力传感器实验模块

实验二 扩散硅压阻式压力传感器实验模块2.1实验目的：实验2.1.1：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 工作原理：是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 转换原理：在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。压阻效应:当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50100倍。 实验2.1.2：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。2.2实验设备和元件： 2.2.1 实验设备：实验台所属各分离单元和导线若干。2.2.2 其他设备：2号扩散压阻式压力传感器实验模块，14号交直流，全桥，测量，差动放大实验模块，数显单元20V，直流稳压源+5V，+_12V电源。2.3实验内容：2.3.1扩散压阻式压力传感器一般介绍：单晶硅材料在受到外力作用产生极微小应变时（一般步于400微应变），其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变）。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯凳电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。给传感器匹配一放大电路及相关部件，使之输出一个标准信号，就组成了一台完整的变送器。 变送器定义：一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如420mADC等)， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量。变送器型号： 扩散硅压阻式变送器有多种多样的，比如：ATE308系列扩散硅压力变送器，KK228压力变送器，ST208、308系列扩散硅压力变送器等等。以下是详细介绍：（1）ATE308系列扩散硅压力变送器： 采用具有国际先进技术进口陶瓷传感器，再配以高精密电子元件，经严格要求的工艺过程装配而成。ATE系列308系列压力变送器与目前使用的常规压力变送器相比,有两个显著不同的技术差别：一是测量元件采用新兴的高精密陶瓷材料；二是测量元件内无中介液体，是完全固体的。HAKK-338系列压力变送器主要特点 抗过载和抗冲击能力强，过压可达量程的数倍，甚至用硬物直接敲打测量元件也不致使其损坏，且对测量精度毫无影响； 稳定性高，每年优于0.1%满量程，这个技术指标已达到智能 型压力仪表水平；温度漂移小，由于取消了压力测量元件中的中介液，因而传感器不仅获得了很高的 测量精度，且受温度梯度影响极小。 （2）ST208、308系列扩散硅压力变送器ZR208、308系列扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等点，能在各种正负压力测量中得到广泛应用。扩散硅压力变送器采用进口扩散硅或陶瓷芯体作为压力检测元件，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。压力变送器可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器，并具有DDZ-及DDZ-型变送器性能。扩散硅压力变送器能与各种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套使用，也能与各种自动调节系统或计算机系统配套使用。 主要技术指标： 准确度0.1%F·S 0.25%F·S 0.5%F·S测量范围-95KPa35MPa间任选测量介质液体、气体、蒸汽存贮温度-40125使用温度-1080防腐材料316L不锈钢 陶瓷 聚四氟乙烯温度影响<0.02%/负载电阻750过载能力量程的12倍机械保护IP65湿度95%RH输出二线制420mA DC关联设备EXZ231B型安全栅重量<1Kg零点温度系数小于0.02%/满程温度系数小于0.02%/电源电压24V DC防爆等级iaCT5安装位置无影响 使用方法：传感器、变送器的选择,选项型提要：1、变送器要测量什么样的压力：用户根据自己所测压力的性质即先确定系统中要确认测量压力的最大值，一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。这主要是在许多系统中，尤其是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，持续的高压力值或稍微超出变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命，然而，由于这样做会精度下降。于是，可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时，要充分考虑压力范围，精度与其稳定性。2、什么样的压力介质：我们要考虑的是压力变送器所测量的介质,黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏变送吕中与这些介质直接接触的材料。以上这些因素将决定是否选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料。一般的压力变送器的接触介质部分的材质采用的是316不锈钢,如果你的介质对316不锈钢没有腐蚀性,那么基本上所有的压力变送器都适合你对介质压力的测量.如果你的介质对316不锈钢有腐蚀性，那么我们就要采用化学密封,这样不但起到可以测量介质的压力,也可以有效的阻止介质与压力变送器的接液部分的接触,从而起到保护压力变送器,延长了压力变送器的寿命. 3、变送器需要多大的精度：决定精度的有，非线性，迟滞性，机电商务网 非重复性，温度、零点偏置刻度，温度的影响。但主要由非线性，迟滞性，非重复性，精度越高，价格也就越高。每一种电子式的测量计都会有精度误差的,但是由于各个国家所标的精度等级是不一样的,比如,中国和美国等国家标的精度是传感器在线性度最好的部分,也就是我们通常所说的测量范围的10%到90%之间的精度;而欧洲标的精度则是线性度最不好的部分,也就是我们通常所说的测量反的0到10%以及90%到100%之间的精度.如欧洲标的精度为1%,则在中国标的精度就为0.5%. 4、变送器的温度范围：通常一个变送器会标定两个温度范围，即正常操作的温度范围和温度可补偿的范围。正常操作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补范围时，可能会达不到其应用的性能指标。温度补偿范围是一个比操作温度范围小的典型范围。在这个范围内工作，变送器肯定会达到其应有的性能指标。温度变从两方面影响着其输出，一是零点漂移；二是影响满量程输出。如：满量程的+/-X%/，读数的+/-X%/，在超出温度范围时满量程的+/-X%，在温度补偿范围内时读数的+/-X%，如果没有这些参数，会导至在使用中的不确定性。变送器输出的变化到度是由压力变化引起的，还是由温度变化引起的。温度影响是了解如何使用变送器时最复杂的一部分。5、需要得到怎样的输出信号： mV 、V、 mA及频率输出数字输出，选择怎样的输出取决于多种因素，包括变送器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号。是否需要放大器，放大器的位置等。对于许多变送器和控制器间距离较短的OEM设备，采用mA输出的变送器最为经济而有效的解决方法，如果需要将输出信号放大，最好采用具有内置放大的变送器。对于远距离传输出或存在较强的电子干扰信号，最好采用mA级输出或频率输出。如果在RFI或EMI指标很高的环境中，除了要注意到要选择mA或频率输出外，还要考虑到特殊的保护或过滤器。(目前由于各种采集的需要,现在市场上压力变送器的输出信号有很多种,主要有4.20mA,0.20mA,0.10V,0.5V等等,但是比较常用的是4.20mA和0.10V两种,在我上面举的这些输出信号中,只有4.20mA为两线制,我们所说的输出为几线制不包含接地或屏蔽线,其他的均为三线制) 6、选择怎样的励磁电压：输出信号的类型决定选择怎么样的励磁电压。许多放大变送器有内置的电压调节装置，因此其电源电压范围较大。有些变送器是定量配置，需要一个稳定的工作电压，因此，能够得到的一个工作电压决定是否采用带有调节器的传感器，选择传送器时要综合考虑工作电压与系统造价。7、是否需要具备互换性的变送器：确定所需的变送器是否能够适应多个使用系统。一般来讲，这一点很重要。尤其是对于OEM产品。一旦将产品送到客户手中，那么客户用来校准的花销是相当大的。如果产品具有良好的互换性，那么即使是改变所用的变送器，也不会影响整个系统的效果。应注意如下几种使用情况：1、 被压力系统瞬时出现较大过载压力。2、用活塞压力计标定时，活塞故障卡死未发现，导致压力冲开时高过载冲击敏感膜。3、由于恒流电源对扩散硅传感器的自补偿功能 ，原则上推荐采用恒流源供电，我公司也可以提供恒流传感一体化产品，如测量温度系数要求不高，条件不允许，也可使用恒压源。4、扩散硅传感器零位输出不能直接采用单臂联电阻法进行消除，可采用软件归零法、差动输入修整法、T型电阻网络修正等。性价比：发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在 N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；精度高，可达0.10.01%；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和造价高等。压阻式传感器的应用：广泛用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。图3是一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。设计方面：汽车车用压力传感器、气压计、医疗设备、风力控制、空气流量计、呼吸器和通风机等等。2.3.2、单独画出放大电路原理图 （1）仪表放大器（即数据放大器）电路的构成及原理 图：仪表放大器电路的典型结构如上图所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放C1，C2为同相差分输入方式，同向输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放IC3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。放大倍数：仪器放大器的放大倍数用示波器测量得：放大倍数=Uo/Ui=4000mV/160mV=25共模抑制比：为了说明差分放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示。差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CMRR，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大差分放大器影响共模抑制比的因素（1） 电路对称性电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。（2）电路本身的线性工作范围实际的电路其线性范围不是无限大的，当共模信号超出了电路线性范围时，即使正常信号也不能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。实际电路的线性工作范围都小于其工作电压，这也就是为什么对共模抑制要求较高的设备前端电路也采用较高工作电压的原因。2.3.3、辅助电路：四臂电桥当压力物理量通过传感器转换成电量时，获得的信号电压变化量很小，而共模电压却很高。当电压不发生变化时，电桥四个臂的电阻相等，没有输出信号。当压力发生变化时，应变片的电阻（传感元件）阻值变化，破坏了电桥的平衡，于是有一个信号送到放大电路的输入端。一般经典值为当电源电压V=10V，电桥输出的差动信号最大约30mV.a b两端的共模电压高达5V，所以传感器后面的数据放大器必须有很高的共模抑制比，同时要求有较高的输出电阻，以免对传感器产出影响为了提高精度，数据放大电路还应具有较高的开环增益，较低的失调电压，失调电流，噪声以及漂移等等。四臂电桥相对于扩散硅压力2号模块中的一个变送器，有关变送器的相关内容介绍：压力变送器,压力传感器的工作原理：把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。将水压这种压力的力学信号 转变成 电流（4-20mA） 这样的电子信号 。压力和电压或电流 大小成线性关系，一般是正比关系 。所以，变送器输出的电压或电流 随压力增大而增大 。由此得出一个压力和电压或电流的关系式。 压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过 隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。这是扩散硅压阻传感器的主要结构，通过针孔产生一个压力使变送器产生压阻效应，通过数据放大器和驱动放大器，把已经放大的数据输出。2.4实验结果与讨论2.4.1、详细记录实验结果。P1（Kpa）102030405060708090100Vo2(V)1.913.294.565.756.867.948.779.809.849.84V1.911.381.27 1.191.11 1.08 0.831.030.040P1（Kpa）102030405060708090100Vo2(V)-0.60-1.94-3.20-4.56-5.30-6.45-7.32-8.04-8.83-9.57V-0.60-1.34-1.26-1.36-0.74-1.15-0.87-0.72-0.79-0.742.4.2、写出系统误差的存在形式，说明减小办法。（1）仪器误差：P1,P2 收到气管漏气的关系，所以应该要求气管一下子达到一个很大的一个电压值，然后是它慢慢漏气以达到我们想要的气压值。（2） 人身误差：调节仪器,和读数时可能出现误差（3） 温度影响：硅压力传感器芯片的性能受温度的影响非常大，主要表现为零点和灵敏度随温度变化而发生漂移，产生漂移的根本原因在：在工艺制作中，组成惠斯登电桥的四个电阻条的表面掺杂浓度和扩散电阻条宽度不可能完全一致，致使四个电阻的阻值不完全相等，温度系数不相等，导致当输入压力为0时，电桥输出不为0，同时该输出随温度的变化而发生漂移，即零点温度漂移；半导体的温度特性导致压阻系数随温度变化，导致压力灵敏也随温度发生漂移；此外，后道工序的芯片与玻璃的静电封装、粘接、硅油及容腔设计等都会附加温度影响。综上因素，对封装后的压力传感器（不带温补芯体）的补偿包括零点偏移校准、零点温度漂移补偿和灵敏度温度补偿。2.4.4、简要分析实验中出现的问题及处理方法。实验中会出现误差，主要的原因是：扩散硅传感器模块上的P1 ，P2是针孔来传递压力。但是针孔会有漏气、难以达到我们所预定的理想测量数据。所以，我们的处理方法就是：先把针筒拔出来，再一下子达到最大我们要测的压力处。然后，等针筒慢慢漏气一点一点的到达我们想要的压力处时，再记下电路板上电压的数据。以期实验的数据达到最大标准的程度。 实验2.2：压阻式压力传感器的硅膜片受到两个压力P1和P2作用时由于它们对膜片产生的应力正好相反，因此作用在压力膜片上是P=P1-P2，从而可以进行差压测量。先调节P1记下V02输出，再加P2压力，使14号模块V02输出为零，观察两个压力表压力并记下比较。P1=10，P2=16 P=6L=（1.91-0）/（10-16）=-0.3182.4.5、其他实验体会。本次实验中，关于利用本系统如何进行真空度测量的问题我们经研究讨论之后找到了解决方法：在测之前,把测量仪器效零一下,注意效零是在真空时的零度,也就是说,当仪器放在真空中时,你应该保证仪器显示的数字是零,当压力传感器感应到有空气存在时,这时传感器就会接受信号(空气就是传感器接受的信号),当传感器接受到相应的信号后,使之转化成电压或者电流信号,从而引起仪器的变化!2.4.6、实验小结：通过这个实验，我们懂得了简单使用扩散硅压阻力传感器测量压力和差压的方法。实验用到的模块是扩散硅压阻传感器，是用来测量压力一个仪器。他有：耐腐蚀性好，抗电击穿性能好，度性能好，频响高，可靠性高，精度高，灵敏度高。在我们的生活中，它也得到了很大的应用：如：汽车车用压力传感器、气压计、医疗设备、风力控制、空气流量计、呼吸器和通风机等等。