【正文】 ????????? ???????? ????????? ? R RRRRR 21tt2t1RRRRRR ?????? ???????? ???????? ?????????? ?????????Uk412R RU412)RRRR(U41U 210R1（拉） R2（壓） F 11:24 AM 33 五 、 測量電路 電阻值的 變化 電壓 /電流的 變化 1 直流電橋 2 交流電橋 11:24 AM 34 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－直流電橋 當(dāng) RL→∞ 時(shí) ， 電橋輸出電壓為： 1. 直流電橋平衡條件 （一）直流電橋 311 2 3 4oRRUER R R R??????????11:24 AM 35 當(dāng)電橋平衡時(shí)， Uo=0，則 R1R4=R2R3 ? 3124RRRR此式為 電橋平衡條件 ，即： 電橋相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等 。 可求得交流電橋的平衡條件為： ?2413RRRR?2112RCRC11:24 AM 41 R1R2R4R3A CR5DU?oU?( a )R1R2R4R3A CR5U?oU?( b )B BR6R1R2R4R3A CU?oU?( c )BC1C2C3C4R1R2R4R3A CCU?oU?( d )BRD～ ～～ ～交流電橋平衡調(diào)節(jié) 11:24 AM 42 六、 應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用 1 力傳感器 2 壓力傳感器 3 液重傳感器 4 加速度傳感器 11:24 AM 43 ( a ) ( b )( c )R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4( d )UoU?～1) 圓柱 (筒 )式力傳感器 柱式 筒式 圓柱面展開圖 橋路連線圖 應(yīng)變式力傳感器 11:24 AM 44 ( a )AR1R2Bh( b )MBA?FR? ＝ 3 9 . 5 176。 結(jié)構(gòu)圖 2) 環(huán)式力傳感器 應(yīng)力分布 11:24 AM 45 11:24 AM 46 11:24 AM 47 沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測。 11:24 AM 50 ?t ?rxhRpR2R1R4 R3?r?t( a ) ( b )膜片式壓力傳感器 應(yīng)變變化圖 應(yīng)變片粘貼 2 、應(yīng)變式壓力傳感器 11:24 AM 51 微 壓 傳 感器電阻應(yīng)變敏感元件傳壓桿感壓膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLR ?U22R ?1R ?4R ?0R ?tR ?3R ? 容器內(nèi)液重傳感器 120()K K QUA??11:24 AM 52 應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量 。 加速度傳感器 11:24 AM 53 電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 32 1 41— 等 強(qiáng) 度 梁；2— 質(zhì)量塊；3— 殼體；4— 電 阻 應(yīng) 變敏 感 元 體適用 10~60 Hz a=F/m 11:24 AM 54 振動(dòng)式地音入侵探測器 : 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。 壓阻效應(yīng) 晶向的表示方法 壓阻系數(shù) 固態(tài)壓阻傳感器 測量電橋及溫度補(bǔ)償 學(xué)習(xí)內(nèi)容： 第二節(jié) 壓阻式傳感器 11:24 AM 57 壓阻式傳感器分類 ?體型壓力傳感器 ： ?半導(dǎo)體應(yīng)變式 ?固態(tài)壓阻式傳感器 （擴(kuò)散型壓阻傳感器） ： ?應(yīng)變電阻與硅基片一體化 11:24 AM 58 壓阻式傳感器的特點(diǎn) ? 靈敏度高 :硅應(yīng)變電阻的靈敏因子比金屬應(yīng)變片高50～ 100倍，故相應(yīng)的傳感器靈敏度很高。 ? 分辨率高 :由于它是一種非機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器，因而分辨率極高。小尺寸芯片加上硅極高的彈性系數(shù)，敏感元件的固有頻率很高。 ? 溫度誤差大 : 須溫度補(bǔ)償、恒溫使用 11:24 AM 59 由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，四個(gè)應(yīng)變電阻的一致性可做的很高，加之計(jì)算機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)步，目前 硅壓阻傳感器的零位與靈敏度溫度系數(shù)已可達(dá) 105/℃ 數(shù)量級 ,即在壓力傳感器領(lǐng)域已超過溫度系數(shù)小的應(yīng)變式傳感器的水平。 ? 半導(dǎo)體 （單晶硅） 材料 受到外力作用，產(chǎn)生肉眼無法察覺的極微小應(yīng)變，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子能級狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其 電阻率劇烈的變化 ，由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應(yīng)叫 半導(dǎo)體壓阻效應(yīng) 。 一、壓阻效應(yīng) 11:24 AM 61 ? 硅作為一種優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，已廣泛應(yīng)用于各種半導(dǎo)體器件中。 ? 硅還具有多種優(yōu)異的傳感特性，如壓阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等。 ? 硅成為一種重要的微機(jī)電系統(tǒng)材料，可作為微傳感器、微執(zhí)行器的基本材料。 應(yīng) 力 ）( 1 2 )dRR? ? ? ?? ? ? ?電阻相對變化量： 對金屬材料 ： ( 1 2 ) mdR KR ? ? ?? ? ? ? ?11:24 AM 64 對半導(dǎo)體材料 ： sdR EKR? ? ? ? ?? ? ? ? 式中： π—— 壓阻系數(shù)； E—— 彈性模量； σ—— 應(yīng)力； ε—— 應(yīng)變。 這種多面體的表面由稱為 晶面 的許多平面圍合而成 。 為了說明晶格點(diǎn)陣的配臵和確定晶面的位臵 ， 通常引進(jìn)一組對稱軸線 ， 稱為 晶軸 ， 用 X、Y、 Z表示 。單晶硅是 各向異性材料 ，取向不同其特性不一樣。 11:24 AM 66 C Z O B A X Y 1 1 晶體晶面的截距表示 硅為立方晶體結(jié)構(gòu) ，就取立方晶體的三個(gè)相鄰邊為 X、 Y、 Z。 此 晶面 與坐標(biāo)軸上的截距為 OA、 OB、 OC。 為了方便取其倒數(shù)得： 式中 ， h、 k、 l也為沒有公約數(shù) （ 1除外 ） 的簡單整數(shù) 。 h、 k、 l稱為密勒指數(shù) 。晶面所截的線段對于 X軸， O點(diǎn)之前為正， O點(diǎn)之后為負(fù)；對于 Y軸， O點(diǎn)右邊為正， O點(diǎn)左邊為負(fù)；對于 Z軸，在 O點(diǎn)之上為正， O點(diǎn)之下為負(fù)。 (110) [110] [100] (100) (111) [111] [001] [100] [010] [110] [100] [001] Z Y X 單晶硅內(nèi)幾種不同晶向與晶面 （ b） （ a） ? 對立方晶系（ x=y=z,x⊥y⊥z), 面指數(shù)為（ hkl)的晶面與密勒指數(shù)為 [hkl]的晶向彼此垂直。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。 單晶硅是各向異性的材料 ， 取向不同 ， 則壓阻效應(yīng)也不同 。 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的壓阻芯片 。 π壓阻系數(shù) 11:24 AM 74 電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系 : ?????????????????????????????????????????????????????????????654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654321????????????????????????????????????????????????11:24 AM 75 分析 : ? 剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng) ? 正向應(yīng)力不可能產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng) ? 剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng) ? 剪切壓阻系數(shù)相等 ? 正向壓阻系數(shù)相等 ? 橫向壓阻系數(shù)相等 11 12 1212 11 1212 12 114444440000000000 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0? ? ?? ? ?? ? ????????????????441211 ??? 、分別為縱向、橫向和剪切方向的壓阻系數(shù) 11:24 AM 76 ? 對 P型硅 (摻雜三價(jià)元素）： ?π1 π12≈0，只考慮 π44 ： ? 對 N型硅 (摻雜五價(jià)元素） ： ?π44 ≈0 ， π12 ≈ 1/2π11 ， 晶體 導(dǎo)電類型 電阻率 （ ) π11 π 12 π 44 Si P N + + + 壓阻系數(shù)（ 1011m2/N） 11:24 AM 77 p Q 任意方向（ P方向）電阻變化 σ// σ⊥ 1 2 3 I / /