[电子课件]现代传感器原理及应用-(7)[115页].ppt

1、2022-7-191研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology第三章第三章 力学量传感器力学量传感器Force/pressure sensors 2022-7-192研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology1 1.定义定义：将将力力/压力等力学量压力等力学量信号变成信号变成电信号电信号的的装置装置 称为称为力学量传感器。力学量传感器。2 2.可测对象可测对象：与机

2、械应力有关信号：与机械应力有关信号：力和压力力和压力，负荷、加速负荷、加速度、扭矩、位移、流量、振动度、扭矩、位移、流量、振动等其他物理量。等其他物理量。它们是支撑工业过程自动化的传感器之一。它们是支撑工业过程自动化的传感器之一。简介：简介：2022-7-193研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology3.分类：分类：应用普遍的应用普遍的：电阻式、压电式、电容式、电感式、电阻式、压电式、电容式、电感式、谐振式、变磁阻式、光纤式等等。谐振式、变磁阻式、光纤式等等。传统的传统的如弹簧

3、：成本低、不需电源，但体积大、如弹簧：成本低、不需电源，但体积大、笨重、输出非电量。笨重、输出非电量。新的新的声表面波压力传感器、磁致伸缩型压力传感声表面波压力传感器、磁致伸缩型压力传感器、电位式压力传感器等。器、电位式压力传感器等。4.发展方向发展方向：正向正向集成化、数字化集成化、数字化和和智能化智能化。2022-7-194研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology3.1 3.1 应变计应变计3.2 3.2 压电式力学传感器压电式力学传感器 3.3 3.3 电容式力学传感器电

4、容式力学传感器 3.6 3.6 压力传感器的接口及应用电路压力传感器的接口及应用电路 3.4 3.4 电感式力学传感器电感式力学传感器 3.5 3.5 谐振式力学传感器谐振式力学传感器 力学量传感器力学量传感器2022-7-195研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology3.1 3.1 应变计应变计3.1.1 3.1.1 金属应变计金属应变计 3.1.2 3.1.2 半导体应变片半导体应变片3.1.3 3.1.3 应变计的测量原理和测量线路应变计的测量原理和测量线路 3.1.4

5、3.1.4 硅膜片上的压阻全桥设计硅膜片上的压阻全桥设计 3.1.5 3.1.5 硅杯式压力传感器硅杯式压力传感器 3.1.6 3.1.6 应变计的应用应变计的应用 2022-7-196研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology一、基本原理一、基本原理-金属导体受外力作用时发生机械形变，金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的现象，即导致其阻值大小发生变化的现象，即将将应变应变转换为转换为电阻变电阻变化的化的金属金属电阻应变效应电阻应变效应。金属金属应变计：应变

6、计：在在弹性元件弹性元件上粘贴金属上粘贴金属应变片的应变片的传感器传感器 金属导线的电阻与长度成正比、面积成反比金属导线的电阻与长度成正比、面积成反比rrlFFl 应变效应示意图：应变效应示意图：3.1.1 3.1.1 金属应变计金属应变计2022-7-197研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology22/2rldlrdrdllsds若若s=rs=r2 2，ds=2r drds=2r dr，即，即ds/s=2 dr/rds/s=2 dr/r，则，则 r r称金属丝的称金属丝的横向

7、应变横向应变；称金属的称金属的纵向应变纵向应变；泊松系数泊松系数，是横向线度相对缩小和纵向线度相对伸长之间的固，是横向线度相对缩小和纵向线度相对伸长之间的固定比例。一般定比例。一般在弹性范围内在弹性范围内为常数为常数 （2）（3）2RRRdRdldsdlslldldsdsssdslsdsdlldls)1(slR（1）2022-7-198研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology(2)(2)两边同除两边同除R R得：得：0/21)21(KddRdRk k0 0为为灵敏系数灵敏系数。

8、(d/)/-(d/)/-压阻系数：压阻系数：形变的晶格畸变引起形变的晶格畸变引起电阻率随电阻率随的变化的变化,金属的这项为金属的这项为0 0。金属的金属的k k0 0等于等于1+21+2，即仅由形状变化引起。，即仅由形状变化引起。可见，可见，当当金属丝受应变金属丝受应变时，时，电阻的相对变化率电阻的相对变化率dR/RdR/R与与金属丝纵向应变金属丝纵向应变 成正比。成正比。2022-7-199研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、金属应变片的结构和分类二、金属应变片的结构

9、和分类 典型结构典型结构：1 1、金属电阻丝、金属电阻丝（敏感栅（敏感栅-转换元件）转换元件）2 2、基底（、基底（是将应变传递到敏感栅的中间介质，并使电是将应变传递到敏感栅的中间介质，并使电阻丝与试件间绝缘）阻丝与试件间绝缘）。3 3、覆盖层、覆盖层（保护）（保护）。4 4、引出线。、引出线。粘合剂粘合剂1敏感栅1敏感栅2基底2基底4引线4引线3覆盖层3覆盖层L Ll lr r2022-7-1910研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology原理：原理：直线金属丝受单向拉伸时，直

10、线金属丝受单向拉伸时，每段电阻都增加，总电阻每段电阻都增加，总电阻的增加为各段电阻增量之和。的增加为各段电阻增量之和。若敏感栅的直线各段的拉应变若敏感栅的直线各段的拉应变l l，而圆弧上各微段轴向应变不是而圆弧上各微段轴向应变不是l l，如，如在在=/2=/2微圆弧处，微圆弧处，丝的轴向压应变丝的轴向压应变r r=-=-l l，该段电阻反而减小；弧其它各，该段电阻反而减小；弧其它各段轴向应变由拉应变和压应变组成，段轴向应变由拉应变和压应变组成，-应变的横向效应应变的横向效应从从+l到到-l之间之间。总之，应变片受应变时电阻变化总之，应变片受应变时电阻变化与纵向应变、横向应变有关与纵向应变、横向

11、应变有关。分为三类：分为三类：1 1丝式应变片（回线式和短接式）丝式应变片（回线式和短接式）回线式应变片回线式应变片 2022-7-1911研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology其理论公式为：其理论公式为：rlKLrnKLrnnlRR002)1(2)1(202)1(2KLrnnlKl02)1(KLrnKrrrllKKRR 短接式应变片短接式应变片:数根等长金属丝数根等长金属丝平行放置平行放置，用直径比金属，用直径比金属丝大丝大5 51010倍镀银丝倍镀银丝焊接焊接。优点优点：

12、克服了回线式应变片的横向效：克服了回线式应变片的横向效应。应。缺点缺点：焊点在冲击振动时易疲劳破坏。：焊点在冲击振动时易疲劳破坏。直线绕成敏感栅后直线绕成敏感栅后K K0 0比直线的小比直线的小2022-7-1912研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology2.2.箔式应变片箔式应变片 -很薄的金属片很薄的金属片粘于粘于基片，经光刻基片，经光刻腐蚀等，接电极，涂覆覆盖层。腐蚀等，接电极，涂覆覆盖层。优点：优点：尺寸准确，线条均匀，性能稳定，散热好，寿命长，但尺寸准确，线条均匀，性

13、能稳定，散热好，寿命长，但K K0 0较低较低,仅为仅为2 26 6。基 片金 属 薄 片L 3.3.薄膜应变片薄膜应变片:薄膜被直接沉积在弹性基底上，光刻形成应薄膜被直接沉积在弹性基底上，光刻形成应变计。变计。优点优点:具有无滞后和蠕变、稳定性好等，适合于制作高具有无滞后和蠕变、稳定性好等，适合于制作高内阻、小型化、高精度的力敏器件。内阻、小型化、高精度的力敏器件。箔式应变片的结构图箔式应变片的结构图 金属箔厚度为金属箔厚度为0.0030.01 mm康铜康铜厚度为厚度为0.030.05 mm的胶质膜或的胶质膜或树脂膜树脂膜2022-7-1913研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大

14、学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology三、金属应变片的参数三、金属应变片的参数 1.1.应变片的电阻值应变片的电阻值(R(R0 0)-)-室温下在不受外力时的电阻值室温下在不受外力时的电阻值(原始原始阻值阻值)。2.2.灵敏系数灵敏系数(K(K0 0)-)-在应变片轴向的单位应变在应变片轴向的单位应变l l作用下阻值的作用下阻值的相对变化率相对变化率,实际实际与轴向应变成线性关系。与轴向应变成线性关系。3.3.机械滞后机械滞后-在一定在一定T T下应下应变从零到一定值变化，变从零到一定值变化，加载加载和和卸载卸载曲线不重合

15、，此两曲曲线不重合，此两曲线间最大的差值线间最大的差值m m。此值越小，寿命越长，应小此值越小，寿命越长，应小于于7 71010-6-6。应变片的机械滞后示意图应变片的机械滞后示意图 卸卸载载u un nl lo oa ad d加加载载0 01 1u uL L/L L/R R R R2022-7-1914研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology4.4.蠕变蠕变(t t)-在一定在一定T T、一定应变、一定应变(如如10001000)长时间长时间作用下，指示应变随时间的变化率，表

16、示为：作用下，指示应变随时间的变化率，表示为：n=n=t t/5.5.零漂零漂-在一定在一定T T和无机械应变时，指示应变随时间的变化。和无机械应变时，指示应变随时间的变化。6.6.绝缘电阻绝缘电阻-敏感栅与基底间的绝缘电阻值应大于敏感栅与基底间的绝缘电阻值应大于10101010，以防基片使金属箔短路。以防基片使金属箔短路。蠕变变化率（蠕变变化率（n n）与应变）与应变计端环长度（计端环长度（l l1 1）的关系）的关系 2022-7-1915研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technol

17、ogy四、温度自补偿应变计四、温度自补偿应变计 应变材料的应变材料的电阻温度系数电阻温度系数R R，且，且电阻的电阻的线膨胀系数线膨胀系数g g；基片是弹性体材料基片是弹性体材料，其线膨胀系数为，其线膨胀系数为m m；温度引起的电阻变化：温度引起的电阻变化：)(0mgRKK K0 0为应变灵敏系数为应变灵敏系数tKtRRRRRmg)(0三者相匹配使三者相匹配使虚假应变为：虚假应变为：0)(/00令tKKRRmgRt2022-7-1916研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology五

18、、蠕变自补偿应变计五、蠕变自补偿应变计 蠕变微调的结构：蠕变微调的结构：全桥式应变计全桥式应变计，R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4为应变电桥，为应变电桥，蠕变可调器：蠕变可调器：当切割短路环虚线框当切割短路环虚线框A A1 1时可改变蠕变量时可改变蠕变量0.0002FS/30min0.0002FS/30min；A A2 2的调节量是的调节量是A A1 1的一倍，依次的一倍，依次A A3 3是是A A2 2的一倍，的一倍，A A4 4是是A A3 3的一倍；可以精确地调节蠕变，的一倍；可以精确地调节蠕变，进行进行蠕变自补偿蠕变自补偿。A4A3A2A1R3R1R2R4蠕蠕变变

19、可可调调应应变变计计图图 2022-7-1917研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology3.1.2 3.1.2 半导体应变片半导体应变片 一、压阻效应一、压阻效应-半导体材料半导体材料受到应力作用时晶格间距受到应力作用时晶格间距发生变化，使其电阻率发生变化的现象。发生变化，使其电阻率发生变化的现象。ETd（2 2）KddRdR/21)21(12)dREKRdERdR即：即：（1）2 2、其电阻的相对变化与金属相同：、其电阻的相对变化与金属相同：1 1、半导体电阻率的相对变化与应

20、力、半导体电阻率的相对变化与应力T T成正比：成正比：2022-7-1918研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and TechnologyT1T4T5T6T2T3xyz 有的应力有的应力只引起某方向的电阻率变化，其相对变化与应力间的只引起某方向的电阻率变化，其相对变化与应力间的关系为：关系为：二、压阻系数二、压阻系数654321444444111212121112121211654321000000000000000000000000/TTTTTT 立方晶系，立方晶系，将坐标轴向取在晶将坐标轴向取在

21、晶轴方向轴方向，六种外力，如图，六种外力，如图,轴向上轴向上电阻率的相对变化为：电阻率的相对变化为：(/)1、(/)2、(/)3，剪切面上电剪切面上电阻率的相对变化为：阻率的相对变化为：(/)4、(/)5、(/)6。2022-7-1919研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 其中其中iiii(i(i为为1 1、2 2、3)3)为为纵向压阻系数纵向压阻系数-沿着沿着晶轴方向的应力对此方向电阻率的影响，立方晶系晶轴方向的应力对此方向电阻率的影响，立方晶系x x、y y、z z方

22、向的方向的纵向压阻系数纵向压阻系数相等。相等。ij ij(ij(ij；i,ji,j为为1 1、2 2、3)3)横向压阻系数横向压阻系数-沿沿某晶轴方向的应力对与其垂直的另一晶轴方向电阻率某晶轴方向的应力对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，用的影响，立方晶系的横向压阻系数都相同，用12 12 代代替之。替之。kk kk（k k为为4 4、5 5、6 6）为）为剪切压阻系数剪切压阻系数-剪切应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。三个剪切压阻系数相等。2022-7-1920研究内容研究

23、内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology三、任意方向应变电阻的压阻系数三、任意方向应变电阻的压阻系数 若电阻方向和应力（晶轴方向）不同：若电阻方向和应力（晶轴方向）不同：设电阻纵向、横向与晶轴方向设电阻纵向、横向与晶轴方向夹角的余弦夹角的余弦为：为：l l1 1=cos=cos1 1、m m1 1=cos=cos1 1、n n1 1=cos=cos1 1和和l l2 2、m m2 2、n n2 2，电阻与晶轴有夹角的应力示意图电阻与晶轴有夹角的应力示意图 任意晶向的任意晶向的纵向压阻系数：

24、纵向压阻系数：横向压阻系数：横向压阻系数：t t=1212+(+(1111-1212-4444)(l)(l1 12 2l l2 22 2+m+m1 12 2m m2 22 2+n+n1 12 2n n2 22 2)则：应力可以分解为电阻纵向则：应力可以分解为电阻纵向力力T Tl l和横向力和横向力T Tt t，电阻的相对变化为：电阻的相对变化为：ttlTTRRll l=1111-2(-2(1111-1212-4444)(l)(l1 12 2m m1 12 2+m+m1 12 2n n1 12 2+n+n1 12 2l l1 12 2)2022-7-1921研究内容研究内容西北大学信息科学与技术

25、学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology几种不同晶向的压阻系数几种不同晶向的压阻系数l，t2022-7-1922研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology四、半导体应变片四、半导体应变片 结构：结构：硅条、内引线（金丝）、基底（绝缘胶膜）、硅条、内引线（金丝）、基底（绝缘胶膜）、电极（连接点康铜箔）、外引线（镀银铜导线）电极（连接点康铜箔）、外引线（镀银铜导线）硅硅 条条内内引引线线基基 底底外外引引

26、线线电电极极1.1.体型半导体应变计体型半导体应变计2022-7-1923研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 在硅衬底上扩散相应杂质在硅衬底上扩散相应杂质构成构成应变敏感栅电阻应变敏感栅电阻。可形成可形成半桥或全桥半桥或全桥结构，使温度特性及稳定性都较好；结构，使温度特性及稳定性都较好；与与ICIC工艺兼容，可使其微型化、达到集成化、智能化，工艺兼容，可使其微型化、达到集成化、智能化，是目前最常用的一种压力敏感元件。是目前最常用的一种压力敏感元件。w直线式折线式2.2.扩

27、散型半导体应变计扩散型半导体应变计 电阻的设计电阻的设计：阻值范围从几百欧姆到几千欧姆；：阻值范围从几百欧姆到几千欧姆；形状形状结构结构一般选用一般选用直线式直线式和和折线式折线式两种形式：两种形式：2022-7-1924研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology直线扩散型电阻的阻值为：直线扩散型电阻的阻值为：WlRR口 l l为扩散电阻的长度；为扩散电阻的长度；W W为扩散电阻的宽度为扩散电阻的宽度;R R口口为扩散层方块电阻，与杂质浓度分布、杂质扩散深度有关。为扩散层方块电阻

28、，与杂质浓度分布、杂质扩散深度有关。若扩散若扩散P P型杂质表示为：型杂质表示为：jspxNqR1口p p随温度的升高而减小，使随温度的升高而减小，使R R口口随温度升高而增大；（表面杂质浓度随温度升高而增大；（表面杂质浓度NsNs越高）越高）2022-7-1925研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology3.3.剪切型半导体应变计剪切型半导体应变计 利用利用剪切压阻系数较大剪切压阻系数较大的特性可制作的特性可制作感受剪切应力的感受剪切应力的敏感栅元件敏感栅元件。应用时。应用时对

29、应的电压输出可完全正比于对应的电压输出可完全正比于电电阻变化率，阻变化率，剪切应力的大小剪切应力的大小与电阻变化率与电阻变化率的关系为：的关系为：或或 X X型应变计工作原理图型应变计工作原理图 剪切型半导体应变计剪切型半导体应变计ttlTTRRl2022-7-1926研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology一、直流电压源单臂电桥一、直流电压源单臂电桥 1.1.平衡条件平衡条件 在不考虑温度下，单臂桥的输出在不考虑温度下，单臂桥的输出电压为：电压为：)(434212oRRRRR

30、REU选选R R2 2的的零应变电阻值零应变电阻值使使输出电压为零输出电压为零。即：。即：平衡条件：平衡条件：R1R4=R2R3 3.1.3 3.1.3 应变计的测量原理和测量线路应变计的测量原理和测量线路 -R-R1 1、R R3 3和和R R4 4固定固定,R R2 2随应变变化随应变变化（2 2）（1 1）2022-7-1927研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology2.2.受应变时的输出受应变时的输出应变片电阻的变化为应变片电阻的变化为RR2 2，则电桥的输出电压，则电

31、桥的输出电压U Uo o为：为：ERRRRRRRRRRRRRRRRRREU)1)(1()/)(/()(432122224343422122o2220)1(RRnnEU 设设n n=R=R1 1/R/R2 2，RR2 2RR2 2，分母，分母RR2 2/R/R2 2可忽略，可简化为：可忽略，可简化为：（4 4）（3 3）2022-7-1928研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology3.3.电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度 2220)1(/nnERRUSr正比于正比于供电电压，但电

32、压的提高受应变片允许功耗限制；供电电压，但电压的提高受应变片允许功耗限制；是桥臂电阻比值是桥臂电阻比值n n的函数，要使电桥有较高的电压灵敏度。的函数，要使电桥有较高的电压灵敏度。由由 0nSr求求S Sr r的最大值，得：的最大值，得：n n=1=1。即在即在E E确确定后，定后，R R1 1=R=R2 2，R R3 3=R=R4 4时，电压灵敏度最高。时，电压灵敏度最高。（3 3）（）（4 4）（）（5 5）简化为：）简化为：22220211141RRRREU（5 5）22041RREUESr41可见，与各桥臂阻值大小无关。可见，与各桥臂阻值大小无关。（33）（44）（55）2022-7-

33、1929研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology4.4.非线性误差非线性误差 若忽略掉分母若忽略掉分母R R2 2/R/R2 2，会带入非线性误差，则会带入非线性误差，则相对非线相对非线性误差表示为：性误差表示为：2000RRUUUr例：一般所受的应变例：一般所受的应变在在50005000以下：当应变为以下：当应变为50005000时，时，若应变片的若应变片的K K取取2 2，R R2 2/R/R2 2=KK=2=2500050001010-6-6=0.01=0.01，则非线性

34、误差为则非线性误差为0.5%0.5%，还不算大。，还不算大。如半导体应变片如半导体应变片K K为为130130，非线性误差达，非线性误差达24.5%24.5%。测量电路必须作特殊改进。测量电路必须作特殊改进。（6 6）2022-7-1930研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、半桥差动电路设计二、半桥差动电路设计 若一个应变片受拉力，一个受压力，受应变的符号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，输出电压相反，接入电桥的相邻臂上，输出电压U

35、U0 0为：为：E ER R2 2+R R2 2R R1 1-R R1 1U U0 0R R3 3R R4 4)(4342211220RRRRRRRRREU若若R R1 1=R=R2 2，R R1 1=R=R2 2，R R3 3=R=R4 4，则简，则简化为：化为：22021RREUU U0 0与与R R2 2/R/R2 2成线性关系，无非线性误差。成线性关系，无非线性误差。且且比单臂应变片电压灵敏度提高了一倍比单臂应变片电压灵敏度提高了一倍。（7 7）2022-7-1931研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Sci

36、ence and Technology若四臂接入四片应变片，两个受拉力，两个受压力，变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。化符号相同的接入相对桥臂上。若若R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4则输出电压为：则输出电压为：110RREU电压灵敏度比用单片提高了电压灵敏度比用单片提高了4 4倍，比半桥电路提高了倍，比半桥电路提高了1 1倍倍E ER R2 2+R R2 2R R1 1-R R1 1U U0 0R R3 3+R R3 3R R4 4-R R4 4三、全桥差动电路三、全桥差动

37、电路 1 1、在不考虑温度的影响时、在不考虑温度的影响时 )R(43442211220RRRRRRRRREU2022-7-1932研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology2 2.若考虑温度对各电阻的影响，若考虑温度对各电阻的影响，且电阻受温度变化同且电阻受温度变化同 为为RRT T，同时，同时，若若 R1=R2=R3=R4，R1=R2=R3=R4，则输出电压表示为：则输出电压表示为：TTTTTRRRERRRRRRRRRREU22220表明了表明了输出结果与温度有关输出结果与温度

38、有关。2022-7-1933研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology四、高内阻恒流源供电的测量电桥四、高内阻恒流源供电的测量电桥 供桥电流为供桥电流为I I0 0，各臂电流为，各臂电流为I I1 1和和I I2 2，则电流满足：，则电流满足：210432211)()(IIIRRIRRI0432121204321431IRRRRRRIIRRRRRRI输出电压为：输出电压为：0432141320IRRRRRRRRUI I0 0R R2 2R R1 1U U0 0R R3 3R R4

39、 4I I1 1I I2 22022-7-1934研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology1 1.恒流源下单臂电桥：恒流源下单臂电桥：若受应力使若受应力使R R2 2 变为变为 R+R+R R 时，时，R R1 1、R R3 3、R R4 4不变，电桥输出电压为：不变，电桥输出电压为：RRRIIRRRRU411414000分母中的分母中的R R被被4R4R除，比单臂电压电桥的非线性误除，比单臂电压电桥的非线性误差减少了一倍。差减少了一倍。若初始电桥处于平衡状态，输出电压为若初始

40、电桥处于平衡状态，输出电压为0 0 ，即即 R R1 1 R R4 4=R=R2 2 R R3 3 2022-7-1935研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology2 2.恒流源下压阻全桥：恒流源下压阻全桥：若受压力作用时，选择若受压力作用时，选择R R2 2、R R3 3 有有正增量正增量R R，R R1 1、R R4 4有有负增量负增量 R同时，考虑温度影响，且同时，考虑温度影响，且 R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，R RT T同，推得同，推得

41、:00IRU恒流源供电时恒流源供电时输出电压与输出电压与成正比成正比。此供电方法的此供电方法的优点优点:电桥的输出与温度无关，不受温度的影响。电桥的输出与温度无关，不受温度的影响。2022-7-1936研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology一、圆形膜片一、圆形膜片 据弹性力学知，据弹性力学知，半径半径a a的圆形硅膜片，受的圆形硅膜片，受均匀压力均匀压力P P 引起引起径向应力径向应力(r r)和和切向切向(tgtg)应力应力分别为：分别为：22223183arhPar 22

42、2213183arhPatgh h为硅膜的厚度，为硅膜的厚度，r r为距中心点的距离为距中心点的距离3.1.4 3.1.4 硅膜片上的压阻全桥设计硅膜片上的压阻全桥设计 2022-7-1937研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technologyr/atg1-10.50.6280.8270r应力分布图：应力分布图：00tgr在膜中心处在膜中心处,有正最大有正最大值，其值大小为：值，其值大小为：可见，圆形硅膜上存在着可见，圆形硅膜上存在着正负两个应力区正负两个应力区压阻全桥设计时压阻全桥设计时

43、,膜片上膜片上扩散电阻分布扩散电阻分布要避开要避开两个应力零点两个应力零点 2022-7-1938研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology1.1.压敏电阻位于同一应力区压敏电阻位于同一应力区 （100100）面上，让面上，让R R2 2和和R R4 4的纵向沿的纵向沿晶向，晶向，R R1 1和和R R3 3的纵向沿的纵向沿 晶向晶向,R R2 2和和R R4 4的纵向应力的纵向应力为：为：101横向应力为：横向应力为：tgt而而晶向的纵向压阻系数为：晶向的纵向压阻系数为：442

44、1l横向压阻系数为：横向压阻系数为：4421tlr2022-7-1939研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology)1(83214422443311hprRRRRtgr 径向和切向布置的力敏电阻径向和切向布置的力敏电阻的相对变化的关系为的相对变化的关系为:tgrRRRR 且且r r 越大，电阻相对变化越大。越大，电阻相对变化越大。所以，所以，R R2 2、R R4 4的相对变化量为：的相对变化量为：)1(83214422444422hprRRRRtgrttll-2022-7-19

45、40研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology2.2.压敏电阻分别位于正负应力区压敏电阻分别位于正负应力区 选取（选取（110110）面时，）面时，rRR4421 正应力区正应力区R R2 2、R R4 4的变化率为正，负应力区的变化率为正，负应力区R R1 1、R R3 3的变化率为的变化率为负。负。R R2 2、R R4 4中心点中心点向膜中心向膜中心内移灵敏度上升内移灵敏度上升，R R1 1、R R3 3中心点中心点向向膜边缘膜边缘移灵敏度上升，移灵敏度上升，应尽量靠近边沿

46、。应尽量靠近边沿。四个相等的扩散电阻沿四个相等的扩散电阻沿R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4 （1 11 10 0）n n-S Si i0112022-7-1941研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology一、结构一、结构 圆形圆形N N型硅片型硅片反面反面腐蚀成杯状，正面扩入腐蚀成杯状，正面扩入4 4个个p-Sip-Si电阻，电阻，连成一电桥电路连成一电桥电路低压腔由抽气机抽空至一定气压，被测气压低压腔由抽气机抽空至一定气压，被测气压P P使杯子形变，使杯子形变，

47、测电桥的电压计算出压力测电桥的电压计算出压力P P。四四引引线线抽抽气气口口P P硅硅杯杯3.1.5 3.1.5 硅杯式压力传感器硅杯式压力传感器 2022-7-1942研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and TechnologyR1R2R3R4RSRPABCDU0二、零位漂移补偿二、零位漂移补偿 -指无外力下指无外力下使使T T变化时变化时 ，C C、D D两点电位不等的现象两点电位不等的现象。若若T T升高升高R R3T3T减小，则减小，则C C点电位点电位低低于于D D点，点，U UCDCD

48、即为即为零温漂零温漂。在。在R R3 3上并上并联一个负温度系数电阻联一个负温度系数电阻R RP P。（。（R RS S调零电阻）调零电阻）TTPPRPRRRRRRRRR33333|3,则ERRRRRRRRUCD42311423使使T T变化引起变化引起U UCDCD变化为变化为0 0，得以补偿。，得以补偿。零位漂移补偿电路零位漂移补偿电路 E2022-7-1943研究内容研究内容西北大学信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology可保持可保持U USCSC不变，不变，即得到补偿。反之即得到补偿。反之右图

49、中右图中三极管的三极管的V Vbebe对温度敏感对温度敏感，且，且温度升高温度升高V Vbebe减小减小，即，即UeUe增大增大，即可补偿。，即可补偿。T T升高，升高，K K减小减小,则全桥输出电压则全桥输出电压 减小减小三、灵敏度漂移补偿三、灵敏度漂移补偿 ERRUsc但左图中但左图中PTC RPTC RT T温度温度升高增大升高增大,则则 增大，增大，使运放输出增大使运放输出增大AU+-+A AC CD DV VS SC CR RT TI IV Vs sc cR RL Lb be ec cV V:用用改变电源电压进行补偿改变电源电压进行补偿。2022-7-1944研究内容研究内容西北大学

50、信息科学与技术学院西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 因因T T升高升高D D1 1的压降下降，提高了电桥的电压，的压降下降，提高了电桥的电压，D D1 1为电桥温度补偿；为电桥温度补偿；D D2 2对差放的放大倍数对差放的放大倍数进行温度补偿。进行温度补偿。当不加压力时，当不加压力时，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；受压后，受压后，R R2 2=R=R3 3=R+R=R+R，R R1 1=R=R4 4=R-R=R-R 1211()()bbccDccDRUUUURUUKPPRRK/