第二节 压阻式传感器
? 2.2.1 半导体的压阻效应
? 2.2.2 体型半导体应变片
? 2.2.3 扩散型压阻式压力传感器
? 2.2.4 压阻式加速度传感器
? 2.2.5 测量桥路及温度补偿
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2.2.1 半导体的压阻效应
固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这
种效应称为压阻效应
半导体材料的压阻效应特别强。
压阻式传感器的灵敏系数大, 分辨率高 。 频率
响应高, 体积小 。 它主要用于测量压力, 加速
度和载荷等参数 。
因为半导体材料对温度很敏感, 因此压阻式传
感器的温度误差较大, 必须要有温度补偿 。
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压阻效应
金属材料 半导体材料
l
lE ????
?
??
ell ?＝
半导体电阻率
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向
与晶轴方向之间的夹角有关；
E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
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?
??? ????? )1(
R
R
??? )1( E
R
R
l???
?
对半导体材料而言,πl E >>(1+μ)，故 (1+μ)项可以忽略
???? ll E
R
R ???
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的,
而电阻率 ρ的变化是由应变引起的
半导体单晶的应变灵敏系数可表示
E
RR
K l?
?
?
?
?
/
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小
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2.2.2 体型半导体电阻应变片
?1,结构型式及特点
?2,测量电路
1,结构型式及特点
主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍
横向效应和机械滞后极小
温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
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2,测量电路
? 恒压源
? 恒流源
)/(0 tRRRUU ????
RIU ???0
电桥输出电压与 ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。
电桥输出电压与 ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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2.2.3 扩散型压阻式压力传感器
压阻式压力传感器结构简图
1— 低压腔 2— 高压腔 3— 硅杯 4— 引线 5— 硅膜片
采用 N型单晶硅为传感器的弹性元件,
在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜
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工作原理,
膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。
四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡,
输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。
四个电阻的配置位置,
按膜片上径向应力 σr和切向应力 σt的分布情况确定。
?
?
?
?
?
?
?
????
????
])31()1[(
8
3
])3()1[(
8
3
22
02
22
02
rr
h
p
rr
h
p
t
r
???
???
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
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扩散型压阻式压力传感器 特点
? 优点, 体积小，结构比较简单，动态响应
也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，
长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响
应高，便于生产，成本低。
? 测量准确度受到非线性和温度的影响。
智能压阻式压力传感器利用微处理器对
非线性和温度进行补偿。
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2.2.4 压阻式加速度传感器
? 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻
扩散在其根部两面 。
扩散电阻
质量块
基座
应变梁
a
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2.2.5 测量桥路及温度补偿
? 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温
漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的
准确性。
? 减少与补偿误差措施
1,恒流源供电电桥
2,零点温度补偿
3,灵敏度温度补偿
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1,恒流源供电电桥
恒流源供电的全桥差动电路
假设 ΔRT为温度引起的电阻变化
III A D CABC 21??
电桥的输出为
RI
RRRIRRRI
UU
TT
BD
??
??????????
?
)(
2
1
)(
2
1
0
电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比,
但与温度无关，因此测量不受温度的影响。
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2.温度 漂移 及其补偿
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U
R1 R2
R4 R3
U0
Rs
Rp
VD
温度变化而变化，将引起 零漂 和 灵敏度漂移
零 漂 扩散电阻值随温度变化
灵敏度漂移 压阻系数随温度变化
零 位 温 漂 串、并联电阻
灵敏度温漂 串联二极管
串联电阻 Rs起调零作用
并联电阻 RP起补偿作用