【正文】 l l t tdRR ? ? ? ???? ? ? ?2 2 2 2 2 211 11 12 44 1 1 1 1 1 12l l m l n m n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 2 2 2 2 212 11 12 44 1 2 1 2 1 2t l l m m n n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 l m n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦 . 1 2 2 2hlh k l???1 2 2 2kmh k l???1 2 2 2lnh k l??? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 式中 l m n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； l m n2——橫向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； π1 π1 π44——單晶硅獨(dú)立的三個(gè)壓阻系數(shù) . ? ? ? ?2 2 2 2 2 211 11 12 44 1 1 1 1 1 12l l m l n m n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 2 2 2 2 212 11 12 44 1 2 1 2 1 2t l l m m n n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?表 23 π1 π1 π55的數(shù)值（ 1011m2/N） 晶體 導(dǎo)電 類型 電阻率 π11 π12 π44 Si P + + Si N 從上表中可以看出，對于 P型硅， π44遠(yuǎn)大于 π11和 π12，因而計(jì)算時(shí)只取 π44；對于 N型硅， π44較小， π11最大， π12≈π11 /2 ，因而計(jì)算時(shí)只取π11和 π12。 l l t t s sdRR? ? ? ? ? ?? ? ? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 當(dāng)坐標(biāo)軸與晶軸方向有偏離時(shí) ， 再考慮到 πsζs， 一般擴(kuò)散深度為數(shù)微米 ， 垂直應(yīng)力較小可以忽略 。 即 : ???????Edd ??????????????????????444444111212121112121211000000000000000000000000????????????單晶硅的壓阻系數(shù)矩陣為 : 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 多向應(yīng)力作用在單晶硅上，由于壓阻效應(yīng)，硅晶體的的電阻率變化，引起電阻的變化，其相對變化 dR/R與應(yīng)力的關(guān)系如下式。 同時(shí)利用硅晶體各向異性 、腐蝕速率不同的特性 ， 采用腐蝕工藝來制造硅杯形的壓阻芯片 。 單晶硅是各向異性的材料 ， 取向不同 ， 則壓阻效應(yīng)也不同 。如硅單晶中， (1 1 1)晶面上的原子密度最大， (1 0 0)晶面上原子密度最小。硅立方晶體內(nèi)幾種不同晶向及符號如圖。 晶向、晶面的表示方法 第 2章 應(yīng)變式傳感器 若晶面與任一晶軸 平行 ，則晶面符號中相對于此軸的指數(shù)等于零，因此與 X軸相交而平行于其余兩軸的晶面用 (1 0 0)表示，其晶向?yàn)?[1 0 0]；與 Y軸相交面平行于其余兩軸的晶面為 (0 1 0)，其晶向?yàn)?[0 1 0]；與 Z軸相交而平行于 X、 Y軸的晶面為 (0 0 1)，晶向?yàn)?[0 0 1]。晶面若在 X、 Y、 Z軸上截取單位截距時(shí)，密勒指數(shù)就是 1。 依據(jù)上述規(guī)定的晶體符號的表示方法，可用來分析立方晶體中的晶面、晶向。 rqpOCOCOBOBOAOA zyx :::: ?lkhpppOCOCOBOBOAOAzyx::1:1:1:: ?? C Z O B A X Y 1 1 晶體晶面的截距表示 晶向、晶面的表示方法 第 2章 應(yīng)變式傳感器 C Z O B A X Y 1 1 晶體晶面的截距表示 而晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關(guān)的規(guī)定， 晶面 符號為 (hkl)， 晶面全集 符號為 {hkl}，晶向符號為 [hkl]， 晶向 全集 符號為 〈 hkl〉 。 依據(jù)上述關(guān)系式 ， 可以看出截距 OAx、 OBy、 OCz的晶面 ， 能用三個(gè)簡單整數(shù) h、 k、 l來表示 。已知某晶面在 X、 Y、 Z軸上的截距為 OAx、OBy、 OCz， 它們與單位晶面在坐標(biāo)軸截距的比可寫成 : 式中 ， p、 q、 r為沒有公約數(shù) (1除外 )的簡單整數(shù) 。在晶軸 X、 Y、 Z上取與所有晶軸相交的某晶面為單位晶面，如圖所示。為了說明晶格點(diǎn)陣的配置和確定晶面的位置，通常引進(jìn)一組對稱軸線，稱為 晶軸 ，用 X、 Y、 Z表示。這種多面體的表面由稱為 晶面 的許多平面圍合而成。而取向是用晶向表示的，所謂 晶向 就是晶面的法線方向。 金屬應(yīng)變片：單絲 、 雙絲 、 電路補(bǔ)償 壓阻式：零點(diǎn)補(bǔ)償串并聯(lián) 、 靈敏度補(bǔ)償：串二極管 第 2章 應(yīng)變式傳感器 本章要點(diǎn) ： 傳感器技術(shù) ?應(yīng)用 ? 構(gòu)成力傳感器 ?壓力傳感器 測量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度、振動、液位、重量等非電量參數(shù) 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。 ?電橋電路 — 平衡條件： R1R4=R2R3； 應(yīng)變片布置：相對臂極性相同 ， 相鄰臂極性相反 。 高精度測量最要使用金屬應(yīng)變片 。 ? 壓阻傳感器 固態(tài)式 ， 片式 第 2章 應(yīng)變式傳感器 本章要點(diǎn) ： 傳感器技術(shù) ?二者特點(diǎn)與區(qū)別： ?半導(dǎo)體壓力傳感器靈敏度比金屬大 100倍以上 ， 但穩(wěn)定性差 ， 精度低些 ， 補(bǔ)償復(fù)雜 。 例題 :L=100mm l=80mm h=20mm,b=10mm E=2*104 N/mm2 [σ] =2022㎏ /㎝ 2, u=4v, k=2 求 : Fmax,vo 解 :1. 2. )(13331*2*2 0 0 0 010*6 16 ][ 22m a x NbhLF ??? ?)(10*6410*20*10*280*6*1333884*244)(4)(4324432144332211VEKURRRRRRRRUVOMAX??????????????????????62 bhFL??傳感器技術(shù) 第 2章 應(yīng)變式傳感器 本章要點(diǎn) ： ?應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變片 — 應(yīng)變變效應(yīng)與應(yīng)變片結(jié)構(gòu)； ——應(yīng)變片電阻相對變化量與應(yīng)變的關(guān)系 。 投入式液位計(jì) 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。 例 沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測 例 機(jī)器人握力測量 汽車衡 稱重系統(tǒng) 應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。它由應(yīng)變橋路、溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、恒流源、輸出放大及電壓一電流轉(zhuǎn)換單元等組成。因此，要求恒壓源提供的電壓應(yīng)有一定的提高。ΔT=ΔE 式中 θ——二極管 PN結(jié)正向壓降的溫度系數(shù) ， 一般為 2mV/℃ ； n——串聯(lián)二極管的個(gè)數(shù)； ΔT——溫度的變化范圍 。 用串聯(lián)二極管補(bǔ)償 當(dāng) n只二極管串聯(lián)時(shí) ， 可得： n 二極管 PN結(jié)的溫度特性為 負(fù)值 ，溫度每升高 1℃ 時(shí)，正向壓降約減小(～ )mV。 說明傳感器的壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)為 負(fù)值 。 21 234PS PRRRR RRRR???? ??? ????21 234PS PRRRR RRRR?? ???? ?? ?? ??? ???? ??? ?1SSR R T??? ?? ? ? ? ?1PPR R T??? ?? ? ?測量橋路及溫度補(bǔ)償 壓阻式傳感器 靈敏度溫度補(bǔ)償 R2 R4 R1 R3 USC 溫度漂移的補(bǔ)償 Rp B C D A RS E Di 靈敏度溫度漂移 是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。 再由 RS?、 RP?可計(jì)算出常溫下 RS、 RP的數(shù)值 。 測量橋路及溫度補(bǔ)償 壓阻式傳感器 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償 R2 R4 R1 R3 USC 溫度漂移的補(bǔ)償 Rp B C D A RS E Di 補(bǔ)償電阻 RS、 RP的計(jì)算： 設(shè) R1?、 R2?、 R3?、 R4?與 R1″、R2″、 R3″、 R4″為四個(gè)橋臂電阻在低溫和高溫下的實(shí)測數(shù)據(jù)， RS?、 RP?與 RS?、 RS?分別為 RS、 RP在低溫與高溫下的欲求數(shù)值。 要消除 B、 D兩點(diǎn)的電位差辦法是在R2上并聯(lián)一個(gè) 負(fù)溫度系數(shù) 、阻值較大的電阻 RP，抵消 R2增大的影響。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償作用。 一般用串、并聯(lián)電阻法補(bǔ)償，如圖所示。 實(shí)際上 ， 壓阻器件本身受到溫度影響后 ， 要產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移 ， 因此必須采取溫度補(bǔ)償措施 。 σt σr σr σt σt σr 3P 4 r h 2 3Pμ 4 r h 2 3P(1+μ) 8 r h 2 平膜片的應(yīng)力分布圖 0 1 πtσr πl(wèi)σr πtσt πl(wèi)σt Rr Rt 測量橋路及溫度補(bǔ)償 壓阻式傳感器 為了減少溫度影響，壓阻器件一般采用 恒流源 供電。 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 根據(jù)應(yīng)力分布圖 ， 當(dāng) x= ， σr=0； x ，σr0， 即為拉應(yīng)力； x ， σr0， 即為壓應(yīng)力 。 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 當(dāng)硅單晶在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，如圖 (a)所示，其阻值的相對變化為 : l l t tRR? ? ? ?? ??式中 σl—— 縱向應(yīng)力； σt—— 橫向應(yīng)力； πl(wèi)—— 縱向壓阻系數(shù)； πt—— 橫向壓阻系數(shù) 。 因此電阻的相對變化量可由下式計(jì)算 : l l t tdRR? ? ? ??? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 固態(tài)壓阻器件的結(jié)構(gòu)原理 1 NSi膜片 2 PSi導(dǎo)電層 3 粘貼劑 4 硅底座 5 引壓管 6 Si 保護(hù)膜 7 引線 利用固體擴(kuò)散技術(shù)，將 P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片 N型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電 P型層，裝上引線接點(diǎn)后，即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 。 晶體基本知識 ： ???????Edd??壓阻系數(shù)的定義 半導(dǎo)體材料的電阻率的相對變化與應(yīng)力成正比 ， 二者的比例系數(shù)就是 壓阻系數(shù) 。 單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣。 ② 體積小 （ 例如有的產(chǎn)品外徑可達(dá) ） ， 適于微型化； ③ 精度高 ， 可達(dá) ～ ％ ； ④ 靈敏高 ,比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍 ， 有些應(yīng)用場合可不加放大器； ⑤ 無活動部件 ， 可靠性高 ， 能工作于振動 、 沖擊 、 腐蝕 、 強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境 。 由于 πE一般都比 （ 1+2μ） 大幾十倍甚至上百倍 ， 因此引起半導(dǎo)體材料電阻相對變化的主要原因是壓阻效應(yīng) ， 所以上式可近似寫成 : dRER???上式表明壓阻傳感器的原理主要基于 壓阻效應(yīng) 。 ? ????? 21 ?