第3章-電阻式傳感器-醫(yī)學(xué)傳感器概要

第3章-電阻式傳感器-醫(yī)學(xué)傳感器概要第一頁(yè)，共53頁(yè)。導(dǎo)論作用：將生物體的一些非電量生理參數(shù)（如位移、振動(dòng)、加速度、力·······）轉(zhuǎn)換為電阻的變化，進(jìn)而形成相關(guān)電學(xué)參量的變化，從而得到所需的電學(xué)量。種類(lèi)：金屬應(yīng)變片型。是用金屬絲或金屬箔作為敏感元件制成的片狀傳感器。半導(dǎo)體擴(kuò)散型壓阻傳感器。是以半導(dǎo)體膜片上擴(kuò)散成電阻的方法制成的。第二頁(yè)，共53頁(yè)。第一節(jié)金屬應(yīng)變片式傳感器一、金屬應(yīng)變效應(yīng)1.應(yīng)力：——繞受力面一點(diǎn)；——截面取一微小面積；——上所受的力；——垂直截面的應(yīng)力分量；——與截面相切的應(yīng)力分量。第三頁(yè)，共53頁(yè)。2.應(yīng)變?yōu)檠芯糠奖闳∈芰w中任意一點(diǎn)取一個(gè)微小的正六面體。平均應(yīng)變：延x方向的應(yīng)變：第四頁(yè)，共53頁(yè)。3.應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR兩邊取對(duì)數(shù)：兩邊求導(dǎo)：第五頁(yè)，共53頁(yè)。式中是長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用金屬電阻絲的軸向應(yīng)變?chǔ)疟硎荆艛?shù)值一般很小表達(dá)式為：ΔA/A為圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，即：第六頁(yè)，共53頁(yè)。由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：

●μ—電阻絲材料的泊松比；●一般金屬μ=0.3~0.5，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。整理得：第七頁(yè)，共53頁(yè)。整理得出金屬材料的靈敏度系數(shù)因?yàn)榻饘俨牧系撵`敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響：受力后因材料尺寸變化引起的，即受力后因材料的電阻率發(fā)生改變而引起的，即第八頁(yè)，共53頁(yè)。二、金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類(lèi)1.基本結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線(xiàn)等部分組成，如圖所示:敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線(xiàn)。第九頁(yè)，共53頁(yè)。2.種類(lèi)金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種：絲式應(yīng)變計(jì)是用電阻絲再一定的應(yīng)力作用下均勻的按柵狀排列在底基和覆蓋層之間，應(yīng)變絲的首尾用銅線(xiàn)或銀線(xiàn)引出。第十頁(yè)，共53頁(yè)。箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003-0.01mm。優(yōu)點(diǎn)：散熱條件好，允許通過(guò)的電流較大，便于批量生產(chǎn)，可制成各種所需的形狀，如下圖所示：第十一頁(yè)，共53頁(yè)。薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣。第十二頁(yè)，共53頁(yè)。三、金屬應(yīng)變片的參數(shù)與特性1.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式：或當(dāng)金屬線(xiàn)材做成電阻應(yīng)變片后，由于形成了部件，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)與金屬材料的靈敏度系數(shù)不同，是小于的，且通過(guò)特定的試驗(yàn)求得。

第十三頁(yè)，共53頁(yè)。2.橫向效應(yīng)和橫向靈敏度定義：將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但由于應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數(shù)較電阻絲的靈敏系數(shù)小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。第十四頁(yè)，共53頁(yè)。應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)當(dāng)將圖2-4所示的應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上時(shí)，由于其敏感柵是由條長(zhǎng)度為的直線(xiàn)段和個(gè)半徑為的半圓組成，若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變時(shí)，則各直線(xiàn)段的電阻將增加，但在半圓弧段則受到從到之間變化的應(yīng)變圓弧段電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長(zhǎng)度電阻絲電阻的變化，所以值減小。第十五頁(yè)，共53頁(yè)。當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片的條件與其靈敏系數(shù)k的標(biāo)定條件不同時(shí)，如μ≠0.285或受非單向應(yīng)力狀態(tài)，由于橫向效應(yīng)的影響，實(shí)際值要改變，如仍按標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算可能造成較大誤差。當(dāng)不能滿(mǎn)足測(cè)量精度要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的修正。橫向效應(yīng)在圓弧段產(chǎn)生，消除圓弧段即可消除橫向效應(yīng)。為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片。第十六頁(yè)，共53頁(yè)。3.應(yīng)變片的應(yīng)變極限應(yīng)變計(jì)的線(xiàn)性(靈敏系數(shù)為常數(shù))特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將出現(xiàn)非線(xiàn)性。在恒溫條件下，使非線(xiàn)性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱(chēng)為應(yīng)變極限。應(yīng)變極限圖如下所示:應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計(jì)測(cè)量范圍和過(guò)載能力的指標(biāo)，通常要求。第十七頁(yè)，共53頁(yè)。4.機(jī)械滯后機(jī)械滯后是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應(yīng)變的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量(輸出)之差值。第十八頁(yè)，共53頁(yè)。5.最高工作頻率應(yīng)變片的最高工作頻率和應(yīng)變片線(xiàn)柵的長(zhǎng)度有關(guān)，它反映了6.應(yīng)變片電阻值絕緣電阻是指粘貼的應(yīng)變片的引線(xiàn)與被測(cè)件之間的電阻值。通常要求絕緣電阻在以上。絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。絕緣電阻取決于粘結(jié)劑及基底材料的種類(lèi)及固化工藝。第十九頁(yè)，共53頁(yè)。7.最大工作電流最大工作電流是指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)大，靈敏度高，但過(guò)大的電流會(huì)使應(yīng)變片過(guò)熱，靈敏系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變?cè)黾?，甚至燒毀?yīng)變片。第二十頁(yè)，共53頁(yè)。8.零漂和蠕變粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定沒(méi)有機(jī)械應(yīng)變的情況下，電阻值隨時(shí)間變化的特性稱(chēng)為應(yīng)變片的零漂。溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片電阻值隨時(shí)間變化而變化的特性稱(chēng)為應(yīng)變片的蠕變。第二十一頁(yè)，共53頁(yè)。蠕變的方向一般與原應(yīng)變量變化的方向相反。蠕變反映了應(yīng)變計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間工作中對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，通常要求。引起蠕變的主要原因是，制作應(yīng)變計(jì)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。第二十二頁(yè)，共53頁(yè)。9.電阻應(yīng)變片的溫度特性在測(cè)量中，應(yīng)變片電阻隨溫度變化的現(xiàn)象，必然造成誤差，這種誤差為應(yīng)變片的溫度誤差。引起電阻變化的原因：一是應(yīng)變片的金屬敏感柵電阻本身隨溫度變化；二是因?yàn)樵嚰牧虾兔舾袞挪牧系木€(xiàn)膨脹系數(shù)不同而造成應(yīng)變片的附加變形，使得電阻變化。第二十三頁(yè)，共53頁(yè)。第二節(jié)半導(dǎo)體固態(tài)壓阻式傳感器壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，使得材料本身的電阻率發(fā)生了較大的變化，這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變?cè)诸?lèi)：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片，這種元件和金屬電阻應(yīng)變片一樣需要膠水粘貼擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片，這種元件又有兩種形式：一是不需要粘貼的片子，入半導(dǎo)體硅膜片，它既是敏感元件，又是換能元件；另一種是需要粘貼的片子，這種片子尺寸很小，只能作為換能元件使用。第二十四頁(yè)，共53頁(yè)。一、體型半導(dǎo)體應(yīng)變片這個(gè)公式同樣適用于體型半導(dǎo)體應(yīng)變片，與金屬材料不同的是，金屬材料以形變?yōu)橹鳎吹淖兓瘜?duì)電阻的變化率貢獻(xiàn)最大；而半導(dǎo)體材料則是以電阻率為主，即以的變化率對(duì)電阻的變化率貢獻(xiàn)最大。第二十五頁(yè)，共53頁(yè)。結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線(xiàn)性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多第二十六頁(yè)，共53頁(yè)。恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒(méi)有影響。第二十七頁(yè)，共53頁(yè)。二、擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片式隨著近代半導(dǎo)體工藝的發(fā)展而出現(xiàn)的新型元件，例如將P型半導(dǎo)體擴(kuò)散到N型硅基底上，從而形成一層極薄的導(dǎo)電P型層線(xiàn)條，連接之后就形成了擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片。第二十八頁(yè)，共53頁(yè)。優(yōu)點(diǎn):體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線(xiàn)性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線(xiàn)性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。第二十九頁(yè)，共53頁(yè)。三、傳感器電路1.恒壓源供電直流電橋——應(yīng)力所引起的電阻變化；——溫度引起的電阻變化。整理得：可見(jiàn)這種電路是受溫度影響的，電橋輸出和溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系。第三十頁(yè)，共53頁(yè)。2.恒流源供電直流電橋電橋的輸出為電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無(wú)關(guān)，因此測(cè)量不受溫度的影響。第三十一頁(yè)，共53頁(yè)。3.溫度補(bǔ)償線(xiàn)路UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移

零漂：擴(kuò)散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移：壓阻系數(shù)隨溫度變化零位溫漂串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用Endthe2.2第三十二頁(yè)，共53頁(yè)。第三節(jié)電阻傳感器測(cè)量及接口電路由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)要把電阻相對(duì)變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此需要有專(zhuān)用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路，通常采用直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標(biāo)是橋路靈敏度、非線(xiàn)性和負(fù)載特性，下面具體討論相關(guān)原理。第三十三頁(yè)，共53頁(yè)。一、直流電橋1．直流電橋平衡條件為電源，為橋臂電阻，為負(fù)載電阻。輸出電壓為：第三十四頁(yè)，共53頁(yè)。R如果c,d之間的電阻為：第三十五頁(yè)，共53頁(yè)。若使電橋平衡必須使即電橋的平衡條件是：或這說(shuō)明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。如果c,d之間有負(fù)載電阻，則負(fù)載電流為：第三十六頁(yè)，共53頁(yè)。2.直流電橋的靈敏度設(shè)為電阻應(yīng)變片，為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋。當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓，則電橋不平衡輸出電壓為：第三十七頁(yè)，共53頁(yè)。設(shè)橋臂比，由于，分母中可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫(xiě)為：

電橋電壓靈敏度定義為：第三十八頁(yè)，共53頁(yè)。分析上式可知：①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。當(dāng)值確定后，n值取何值時(shí)使最高？由

求的最大值，得：第三十九頁(yè)，共53頁(yè)。求得時(shí)，為最大值。這就是說(shuō)，在電橋電壓確定后，當(dāng)時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有：從上述可知，當(dāng)電源電壓和電阻相對(duì)變化量一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無(wú)關(guān)。第四十頁(yè)，共53頁(yè)。3．非線(xiàn)性誤差及其補(bǔ)償方法由式求出的輸出電壓因略去分母中的項(xiàng)而得出的是理想值，實(shí)際值計(jì)算為：與的關(guān)系非線(xiàn)性，非線(xiàn)性誤差為：第四十一頁(yè)，共53頁(yè)。如果是四等臂電橋，即，則對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變通常在以下，若取應(yīng)變片靈敏系數(shù)，則代入上式計(jì)算得非線(xiàn)性誤差為0.5%；若時(shí)，，則得到非線(xiàn)性誤差為6%，故當(dāng)非線(xiàn)性誤差不能滿(mǎn)足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。第四十二頁(yè)，共53頁(yè)。為了減小和克服非線(xiàn)性誤差，常采用差動(dòng)電橋（a）半橋差動(dòng)（b）全橋差動(dòng)在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路。第四十三頁(yè)，共53頁(yè)。半橋差動(dòng)電路輸出電壓為若，，，則得：所以與呈線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差，而且電橋電壓靈敏度，比單臂工作時(shí)提高一倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。第四十四頁(yè)，共53頁(yè)。若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖(b)所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)