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一文了解壓阻式傳感器的原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用類型
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發(fā)布時(shí)間：
2020-07-08
壓阻式傳感器，是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。
壓阻式傳感器原理
壓阻式傳感器piezoresistance type transducer是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹?如液位、加速度、重量、應(yīng)變、流量、真空度)的測量和控制。
壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片(或稱膜片)材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。
壓阻式傳感器的應(yīng)用
壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個(gè)領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，局部壓力和整個(gè)壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如，用于測量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈動(dòng)壓力和機(jī)翼的抖動(dòng)等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計(jì)的硅壓力傳感器，其工作溫度達(dá) 500℃以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá) 0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中。
單個(gè)傳感器直徑僅 2.36 毫米，固有頻率高達(dá) 300 千赫，非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物醫(yī)學(xué)方面，壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到 10 微米，外徑僅 0.5 毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。圖 3 是一種用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。
壓阻式傳感器的典型特點(diǎn)是什么
①壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大 50-100 倍。有的時(shí)候壓阻式傳感器的輸出不需要放大器就可直接進(jìn)行測量。
②由于它采用集成電路工藝加工，因而結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。
③壓力分辨率高，它可以檢測出像血壓那幺小的微壓。
④頻率響應(yīng)好，它可以測量幾十千赫的脈動(dòng)壓力。
⑤由于傳感器的力敏元件及檢測元件制在同一塊硅片上，所以它工作可靠，綜合精度高，且使用壽命長。
⑥由于采用半導(dǎo)體材料硅制作，傳感器對(duì)溫度比較敏感，如不采用溫度補(bǔ)償，其溫度誤差較大。
壓阻式傳感器為什么會(huì)產(chǎn)生溫度誤差?如何補(bǔ)償?
壓阻式傳感器有兩種類型：一類是利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，形成半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器;另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，構(gòu)成敏感元件，稱為擴(kuò)散型壓阻式傳感器。
壓阻式傳感器受溫度影響較大，會(huì)產(chǎn)生零位漂移和靈敏度漂移，因而會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。
壓阻式傳感器中，擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)較大，電阻值隨溫度變化而變化，故引起傳感器的零位漂移。
傳感器靈敏度的溫漂是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。當(dāng)溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變小，傳感器靈敏度要降低，反之，則靈敏度升高。
零位溫漂一般可用串、并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償。
靈敏度溫漂通過在電橋的電源回路中串聯(lián)二極管來補(bǔ)償。
另外，壓阻式傳感器也可將四個(gè)擴(kuò)散電阻接成全橋，為了減小溫度的影響，可采用恒流源供電。
可見，電橋的輸出與電阻變化成正比，即與被測量成正比，也與電源電流成正比，輸出電壓與恒流源電流的大小和精度有關(guān)，但與溫度無關(guān)，所以恒流源有很好的溫度補(bǔ)償作用。
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