【正文】 ........................................................................ 28 附錄 ....................................................................................................................................... 29 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁 第 1 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 1 章 緒論 本課題 研究的目的和意義 傳感器 被廣泛應(yīng)用在 各種工 、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中， 所有 生產(chǎn)過程 和 科學(xué)研究 要獲取信息都要通過其轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào) 。它的靜特性與環(huán)境溫 度密切 相關(guān) 。 從 而影響到傳感器的靜特性， 因此 必須采取 一定的 措施 來 減少或消除 溫 度變化帶來的影響，即必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 通常 傳感器都 是 在標(biāo)準(zhǔn) 的 溫度 (20177。傳感器由 很多 環(huán)節(jié)組成， 特別 是 由 金屬材料和半導(dǎo)體材料 制作而成 的敏感元件 ， 它的靜特性與溫度有非常 密切的關(guān)系。 硅橋式壓阻壓力傳感器 因?yàn)樗?優(yōu)點(diǎn) 突出， 在壓力傳感器中被應(yīng)用最多， 但是 在實(shí)際 的 使用中， 因?yàn)?制造工藝、使用環(huán)境等條件的影響，造成了傳感器的 出現(xiàn) 測量誤差， 這種誤差 是我們希望盡 可能 減小的，因此誤差的補(bǔ)償是傳感器領(lǐng)域中很重要的一個(gè)內(nèi)容。硅橋式壓阻壓力傳感器由于半導(dǎo)體材料 本身 固有的溫度依賴性，其輸出呈現(xiàn)一定的溫度特性，在溫度變化 比較大的環(huán)境下，它的 應(yīng)用 就會(huì)受到 限制。 當(dāng)前 這類傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)?分析 一般可分為內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償 兩種 。而外部補(bǔ)償?shù)姆绞蕉喾N多樣， 外部補(bǔ)償 又可 分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。最近幾年對(duì)于補(bǔ)償電路的要求越來越高，補(bǔ)償?shù)倪x取最重要的 一點(diǎn)就 是要結(jié)合 整個(gè)傳感器系統(tǒng) 及 補(bǔ)償對(duì)象的特性 來 選擇 最高效 、 最合適 的方式。并且只能適用于部分傳感器的部分溫度漂移問題， 其 所能達(dá)到的補(bǔ)償效果也 是 有限 的，所以 一般采用 的 很少 。雖然通用性很強(qiáng)，但體積相對(duì)較大，成本也較高。 因此 ， 許多國家對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展非常 重視 ， 比 如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù) (計(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器 ) 之一。此 外 ， 還廣泛應(yīng)用于 化工 、地質(zhì)、氣象、 水利 、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。壓力傳感器已成為各類傳感器中 性能最穩(wěn)定 、 性價(jià)比最高 、 技術(shù)最成熟的一類傳感器。 壓力傳感器的發(fā)展歷程 現(xiàn)代壓力傳感器以半導(dǎo)體傳感器的發(fā)明為標(biāo)志 ， 而半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展可以分為四個(gè)階段 ： (19451960年 ): 這一階段是 1947年發(fā)明的雙極晶體管標(biāo)記。史密斯（ CSSmith）在 1945年發(fā)現(xiàn)了硅和鍺的壓阻效應(yīng)，也就是說 ，當(dāng)半導(dǎo)體材料上有外力作用時(shí)， 它的 電阻 將 會(huì) 發(fā)生 比較 明顯 變化。 這一 階段最小尺寸大約為 1cm。這種形式的硅杯傳感器具有體積小，重量輕，靈敏度高，穩(wěn)定性好，成本低，便于集成優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了金屬硅共晶 體 ，為商業(yè)化發(fā)展提供了可能 。 由于可以在多個(gè)表面同時(shí)進(jìn)行腐蝕 ， 數(shù)千個(gè)硅壓力膜可以同時(shí)生產(chǎn) ， 實(shí)現(xiàn)集成 化的工廠加工模式，以進(jìn)一步降低成本。通過微機(jī)械加工工藝可以加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器 ， 它的 線度可 控制在微米級(jí)范圍內(nèi)。 壓力傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從世界范圍看壓力傳感器的發(fā)展動(dòng)向主要 有以下幾個(gè)方向。 光纖壓力傳感器的重要傳感元件是法布利 比洛特 (FP)型光學(xué)干涉儀。所施加的壓力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接轉(zhuǎn)換成了 FP 干涉儀空腔長度的變化。這種敏感元件已被應(yīng)用 于 臨床醫(yī)學(xué)。同時(shí) ， 在健康保健方面 ， 光纖傳感器也在快速發(fā)展。 這個(gè) 圓 環(huán) 起 到 隔離 的 作用 ， 不需要 進(jìn)行 溫度補(bǔ)償 ，舊 可以保持測量的可靠性和 較高 的精度。遇到過載時(shí) ， 膜片貼在基片上不會(huì)被破壞 ， 沒有 負(fù)載時(shí) 就 會(huì) 馬上 返回 到 原 來 位 置沒有 任何滯后 ，過載量可以達(dá)到 100 %， 即使是破壞 了 也不會(huì) 有 任何污染介質(zhì) 泄漏 。 3. 具有自測 功能的壓力傳感器 ： 為了降低調(diào)試與運(yùn)行成本 ,Dirk De Bruyker 等人報(bào)導(dǎo)了一種具有自測功能的壓阻、電容雙元件傳感器 ， 它的自測 功能是根據(jù)熱驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行的 ， 該傳感器尺寸為 3mm ， 適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來越小 ， 線度可以達(dá)到 1～ 2mm， 可以放置在人體的 重要器官中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。dziuban,Jan Bochenek 報(bào)導(dǎo)了一種可以用于測量眼球的眼壓計(jì) ， 其膜片直徑為 1mm。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 5. 耐高溫壓力傳感器新型半導(dǎo)體材料碳化硅 (SiC) 的出現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是 PN 結(jié)泄漏 電流 很小 ， 沒有 熱匹配問題以及升溫不產(chǎn)生塑性變型 ， 可以批量加工。在室溫下 ， 此壓力傳感器的靈敏度為 。 我國北京理工大學(xué)在跟蹤國外發(fā)展的基礎(chǔ)上 ， 突破 性的研制出組合有壓電層的柔軟光學(xué)陣列觸覺 ， 陣列密度為 2438tactels/cm2,力靈敏 1g， 結(jié)構(gòu) 的 柔性很好 ， 能 準(zhǔn)確的 抓握和識(shí)別雞蛋和鋼球 ， 現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用 于機(jī)器人分選物品。集成系統(tǒng)在過程控制和工廠自動(dòng)化中可 以 提高操作速度和 工作 效率。 3. 智能化 ： 由于 傳感器 集成化的出現(xiàn) ， 將 一些微處理器添加 在 集成電路中 ， 使得傳感器具有 通訊 、 邏輯判斷 、自 動(dòng) 診斷、 自動(dòng)補(bǔ)償 等功能。 5. 標(biāo)準(zhǔn)化 ： 傳感器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 傳感器的常用術(shù)語 傳感器 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 1）敏感元件是指傳感器中能直接（或響應(yīng)）被測量的部分。 3）當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為 變送器 。 量程 測量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。 重復(fù)性 在所有下述條件 下，對(duì)同一被測的量進(jìn)行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的符合程度： 相同測量方法 相同觀測者 相同測量儀器 相同地點(diǎn) 相同使用條件 在短時(shí)期內(nèi)的重復(fù) 分辨力 傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最小變化量。 零位 使輸出的絕對(duì)值為最小的狀態(tài)，例如平衡狀態(tài)。 最大激勵(lì) 在市內(nèi)條件下，能夠施加到傳感器上的激勵(lì)電壓或電流的最大值。 1輸出 有傳感器產(chǎn)生的與外加被測量成函數(shù)關(guān)系的電量。 1 零點(diǎn)輸出 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在室內(nèi)條件下，所加被測量為零時(shí)傳感器的輸出。 1遲后 輸出信號(hào)變化相對(duì)于輸入信號(hào)變化的時(shí)間延遲。 1零點(diǎn)漂移 在規(guī)定的時(shí)間間隔及室內(nèi)條件下零點(diǎn)輸出時(shí)的變化。 靈敏度漂移 由于靈敏度的變化而引起的校準(zhǔn)曲線斜率的變化。 2熱零點(diǎn)漂移 由于周圍溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移。 2 非線性度 校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定直線偏離的程度。 2固有頻率 在無阻力時(shí)，傳感器的自由（不加外力）振蕩頻率。 2補(bǔ)償溫度范圍 使傳感器保持量程和規(guī)定極限內(nèi)的零平衡所補(bǔ)償?shù)臏囟确秶? 絕緣電阻 如無其他規(guī)定，指在室溫條件下施加規(guī)定的直流電壓時(shí)，從傳感器規(guī)定絕緣部分之間測得的電阻值。傳感器技術(shù)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，其技術(shù)的發(fā)展大體可分三代： 第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。 傳感器 的 技術(shù)特點(diǎn) 傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)可以歸納為：基礎(chǔ)、應(yīng)用兩頭依附；技術(shù)、投資兩個(gè)密集；產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)兩大分散。敏感機(jī)理千差萬別，敏感材料多種多樣，工藝設(shè)備各不相同，計(jì)測技術(shù)大相徑庭，沒有上述四塊基石的支撐，傳感器技術(shù)難以為繼。也即發(fā)展傳感器技術(shù)要以市場為導(dǎo)向，實(shí)行需求牽引。它是多種高技術(shù)的集合產(chǎn)物。 投資密集是指研究開發(fā)和生產(chǎn)某一種傳感器產(chǎn)品要求一定的投資強(qiáng)度，尤其是在工程化研究以及建立規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)線時(shí)，更要求較大的投資。只有按照市場 需求，不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)的全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。 一般這種工作在 高溫環(huán)境傳感器 我們 常采用耐高溫傳感器； 除此之外 ， 還 必須加有 氣冷 、水冷或 隔熱 等裝置。在 這種 環(huán)境條件下 應(yīng)該選擇 密閉性很高的傳感器。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁 第 8 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 從 上面幾種 密封 方法的 效果來看，焊接密封 的效果 最 好 ，充填密封膠為最差。 （ 3）在腐蝕性較高的環(huán)境下， 比如堿性 、酸性 或潮濕 對(duì)傳感器造成彈性體受損或產(chǎn)生短路等影響，應(yīng)選擇外表面進(jìn)行過噴塑或不銹鋼外罩，抗腐蝕性能好且密閉性好的傳感器。 這種情況下 ，應(yīng) 該 嚴(yán)格檢 查傳感器的屏蔽性，看是 不是 具有良好的抗電磁 性 。 所以 ，在 這種 環(huán)境下工作的傳感器 就必須對(duì) 防爆性能提出了 嚴(yán)格 的要求 ， 必須選用防爆傳感器 。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的 “居里點(diǎn)”）。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。 壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的 效應(yīng)和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨(dú)特的用途。 我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的?？茖W(xué)家就是根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。 壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 固體受到作用力后電阻率 (或電阻 )要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。在（ 100）晶面 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ l l n nRR ? ? ? ?? ??的硅片中，對(duì)于 P型摻雜電阻，取向在 [110]和 [110]晶向時(shí)，電阻的壓阻系數(shù)最大；取向在 [1