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[工學(xué)]第五章壓力傳感器(參考版)

2025-01-22 08:37本頁(yè)面
  

【正文】 由于 RR3和 R R4是垂直布置,所以 R R4的縱向應(yīng)力與 R R3的橫向應(yīng)力方向相同, R R4的橫向應(yīng)力與 R R3的縱向應(yīng)力方向相一致,故縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)65則666768697071。設(shè)力敏電阻 R R4沿 [110]晶向布置其橫向?yàn)? 晶向。 [110]晶向方向余弦為: 晶向方向余弦為: 62縱向、橫向壓阻系數(shù)計(jì)算舉例如下:將方向余弦 數(shù)分別代入以下兩式: 則:對(duì) Si材料 可忽略不計(jì),故63應(yīng)力引起電阻值的相對(duì)變化量與壓阻系數(shù)、應(yīng)力的關(guān)系下面也以( 001)晶面上沿 [110]晶向和沿 晶向。方向余弦可以用l,m,n表示,其中60可以證明:圖 晶向表示法縱向、橫向壓阻系數(shù)的計(jì)算方法若已知 Si晶體中力敏電阻所處晶向?yàn)?[abc],其方向余弦如上式所示。通過 P在 xyz坐標(biāo)系中作長(zhǎng)方形,與 x、 y、 z軸的交點(diǎn)分別為 L、 M、 N。晶向的表示方法(1)截距法 (2)法線表示法通過坐標(biāo)原點(diǎn) O作 rst平面的法線,將其延長(zhǎng)至 P,其長(zhǎng)度 取為一個(gè)單位。若晶面與坐標(biāo)軸平行,則截距在無限處,其密勒指數(shù)為零。在立方晶系中,選取晶胞的頂點(diǎn)為原點(diǎn),以立方晶胞的邊為坐標(biāo)軸。 (100)、 (110)、 (111)。 [100]、 [110]、[111]晶面:晶體中的原子在空間規(guī)則地、周期性地重復(fù)排列起來。方塊電阻的定義?它與什么因素有關(guān)?給出一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖,并說明其工作過程與特點(diǎn)。 55總 結(jié)應(yīng)力、應(yīng)變、壓阻效應(yīng)壓阻系數(shù)硅杯壓阻式壓力傳感器的工作原理擴(kuò)散電阻條的尺寸、位置的確定圓形硅杯膜片的應(yīng)力分布56壓阻式傳感器的溫漂與補(bǔ)償復(fù)習(xí)題如何理解壓阻系數(shù)矩陣?畫出 (111)晶面和 110晶向,并計(jì)算 (111)晶面內(nèi) 110晶向的縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)。psi); 400℃ 下輸出為 mV;非線性: 177。然后在表面上淀積 SiO2,最后刻出接觸孔,淀積金屬,進(jìn)行金屬化形成歐姆接觸。 6HSiC高溫壓力傳感器的典型結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。 6HSiC具有更寬的帶隙和更高的穩(wěn)定性, 在高溫下,6HSiC壓力傳感器具有良好的熱特性和機(jī)械性能以及足夠大的壓阻系數(shù)。如注射針型壓阻式壓力傳感器,硅膜片的厚度可達(dá) 10微米,外徑可達(dá) ,此種傳感器的結(jié)構(gòu)如下右圖所示?! ? 壓阻式壓力傳感器小尺寸、穩(wěn)定可靠性能,使得壓阻式壓力傳感器成為生物醫(yī)學(xué)上理想的測(cè)試手段。核心部分硅膜片的設(shè)計(jì)與制作決定了傳感器的性能?! 〉湫偷膲鹤枋綁毫鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)原理圖,如下左圖所示。壓阻式傳感器可用作壓力、拉力、壓力差、液位、重量、應(yīng)變、流量、加速度等物理量的測(cè)量。這樣的內(nèi)部溫度補(bǔ)償電路雖然簡(jiǎn)單, 但是可以達(dá)到良好的補(bǔ)償效果,因而得到廣泛的應(yīng)用。 力敏電阻電橋的輸出信號(hào) V0在 R1=R3=R0+KPR0和 R2=R4=R0KPR0時(shí)有( 1)( 2)50式中 K為力敏電阻的靈敏度系數(shù), P為壓力,將( 1)代入式( 2)得到( 3)輸出電壓 V0的溫度系數(shù)為:( 4)根據(jù)力敏電阻靈敏度系數(shù)的溫度系數(shù)和 Vbe的溫度系數(shù),可通過選擇電阻 R R6的適當(dāng)比值,使輸出電壓的溫度系數(shù)為零,由可以得到51( 5)根據(jù)式( 5)可以得到不同的 值和不同電源電壓條件下,電阻比的選擇。當(dāng)晶體管的基極電流比流過電阻 R R6的電流小得多時(shí),晶體管的集電極 發(fā)射極電壓電橋的實(shí)際供電電壓 VB為溫度升高時(shí) Vbe下降,引起 Vce下降 。下圖( b)則是利用三極管的基極與發(fā)射極間 PN結(jié)敏感溫48度的高低,使三極管的輸出電流發(fā)生變化,改變管壓降的大小,從而使電橋電源電壓得到改變,達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。反之,?dāng)溫度降低時(shí),靈敏度升高,電橋電源電壓降低,使輸出變小,即可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹囟壬邥r(shí),傳感器靈敏度要降低。當(dāng)然這時(shí)在 R4上并聯(lián)一正溫度系數(shù)阻值較大的電阻進(jìn)行補(bǔ)償,其作用也是一樣的。要消除 B、 D兩點(diǎn)的電位差,最簡(jiǎn)單的方法,就是在 R3上并聯(lián)一負(fù)溫度系數(shù)阻值較大的電阻 RP,用它約束 R3的變化。其補(bǔ)償作用的原理如下:   傳感器存在零位漂移,就是說在溫度變化時(shí),輸出 B、 D兩點(diǎn)電位不相等。見右圖, RS是串聯(lián)電阻; RP是并聯(lián)電阻。減小溫度誤差的方法很多,現(xiàn)僅就幾種線路補(bǔ)償方法作以簡(jiǎn)介。如果提高擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度,壓阻系數(shù)隨溫度的變化要小些,但傳感器的靈敏度同樣會(huì)降低。由壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線可以看出,溫度升高時(shí),壓阻系數(shù)變小;溫度降低時(shí),壓阻系數(shù)變大。提高表面雜質(zhì)濃度,雖可減少電阻的溫度系數(shù),從而減少零位漂移,但是提高雜質(zhì)濃度會(huì)降低傳感器的靈敏度。表面雜質(zhì)濃度高時(shí),薄層電阻小,溫度系數(shù)也??;表面雜質(zhì)濃度低時(shí),薄層電阻大,溫度系數(shù)增大。   零位溫度漂移是因?yàn)閿U(kuò)散電阻的阻值隨溫度變化引起的 。   壓阻式傳感器的溫度漂移與補(bǔ)償  壓阻式傳感器受到溫度影響后,就會(huì)產(chǎn)生零位溫度漂移和靈敏度漂移,這是它的最大的弱點(diǎn)。三極管 V V2組成復(fù)合管,再與二極管 V V6以及 RR R3構(gòu)成恒流源電路,供給傳感器不隨溫度變化的恒定電流。但是,恒流源供電,最好一個(gè)傳感器配備一個(gè)電源,這在使用中是不方便的。由于同時(shí)也與電源電流成正比,因此電橋輸出與恒流源的電流大小與精度有關(guān)。  二、恒流源供電  恒流源供電時(shí),電橋如上圖所示。如    時(shí),前述公式可知,輸出電壓與溫度有關(guān),恒壓源供電,不能消除溫度的影響,這是它的缺點(diǎn)?! ∫弧⒑銐涸垂╇姟 ?設(shè)四個(gè)擴(kuò)散電阻起始值相等且為 R,當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí),兩個(gè)電阻阻值增加量分別為  ,兩個(gè)電阻阻值減少量分別為  。為使電橋的靈敏度最大,將一對(duì)增加的電阻對(duì)接,將另一對(duì)減少的電阻對(duì)接,如下圖所示。如果設(shè)計(jì)時(shí)使 因之有可用下列兩式計(jì)算圓形硅杯膜片上徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力的平均值:  通過以上計(jì)算說明了當(dāng)擴(kuò)散力敏電阻按同一晶向布置時(shí),在硅膜片受力后,由于力敏電阻分別處于正負(fù)應(yīng)力區(qū)內(nèi),可使兩個(gè)橋臂的電阻相對(duì)變化率為正值,另兩個(gè)橋臂的電阻相對(duì)變化率為負(fù)值,因而可同樣達(dá)到提高力敏電橋電路靈敏度的目的。當(dāng)把力敏電阻 R1, R3布置在 ,位于負(fù)應(yīng)力區(qū),所以受力后力敏電阻的阻值變化率為負(fù)值。此種設(shè)計(jì)方案電阻條受力后,阻值的相對(duì)變化率的正負(fù)主要取決于應(yīng)力的正負(fù),從應(yīng)力分布圖可以看出, 正負(fù)應(yīng)力的分界。將 方向的縱向和橫向壓阻系數(shù)代入上式,可得38將 代入上式得(2)只利用縱向壓阻效應(yīng)且分別位于正負(fù)應(yīng)力區(qū)的力敏電阻  一般常用 n型硅以 ( 011) 晶面作為硅杯膜片,橋臂四個(gè) p型電阻均沿 晶向布置,如圖所示?! A形硅杯膜片表面上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力表達(dá)式代入電阻相對(duì)變化率表達(dá)式中,可得   當(dāng) r相同時(shí),即縱向電阻與橫向
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