chap13 压阻式传感器2019.pdf

第 13 章 压阻式传感器 压阻式传感器是一种基于半导体材料的力电转换装置，它利用半导体材料在受力时电阻率发生变化的特性来测量各种力学量，如压力、应变等。传感器的核心是半导体压阻效应，即当半导体材料受到应力作用时，其内部电子能级状态发生改变，导致电阻率显著变化，进而引起电阻值的改变。这种效应在单晶硅材料中尤为显著。 1. 压阻系数与阻值变化的计算 - 压阻系数：表示材料电阻率随应力变化的比例常数，它与材料的性质、应力方向以及晶体结构有关。 - 阻值变化的计算：通常涉及压阻系数和应力的关系，以及不同晶向下的阻值变化。例如，可以通过弹性模量、应变和压阻系数来计算电阻的变化。 2. 典型压阻式传感器原理分析 - 粘贴型压阻传感器：将半导体应变片粘贴在被测物体表面，通过应变传递来感受压力。 - 固态压阻传感器（扩散型压阻传感器）：在单晶硅片上采用集成电路工艺制作电阻，形成惠斯顿电桥，通过硅片自身的变形来感受压力，实现力电转换。 3. 温度漂移及其补偿 - 温度对压阻式传感器的影响很大，因为电阻率会随温度变化而变化，导致测量结果出现误差。通过温度补偿电路或者采用具有温度补偿特性的材料，可以减小这种漂移。 4. 晶向与密勒指数 - 晶向：描述晶体中直线方向的特性，通常用一组整数（hkl）表示，这些整数代表了晶面的法线方向。 - 密勒指数：用于标记晶体中的平面，由三个整数组成，表示晶面与晶体坐标轴之间的角度关系，是截距的倒数。 5. 压阻式传感器的特点 - 高灵敏度：由于硅材料的压阻系数远高于金属，使得传感器的灵敏度非常高，通常输出电压变化在100mv左右。 - 高分辨率：能够检测到非常小的压力变化，如1mmH2O（9.8Pa）。 - 小巧轻便，高频响应：集成工艺使得传感器体积小、重量轻，且固有频率高，适合动态测量。 - 温度误差：需要进行温度补偿以减少温度对测量结果的影响。 6. 晶向的表示方法 - 半导体单晶硅是各向异性的，有特定的晶向表示方法，包括截距式和法线式，以及密勒指数的表示。 总结：压阻式传感器利用半导体压阻效应，结合特殊的工艺和材料特性，实现了高精度、高灵敏度的压力测量。通过对晶向的理解和温度补偿技术的应用，这类传感器在诸多领域，如汽车、航空航天、工业控制等，得到了广泛应用。