Libo-第四章-电阻式传感器课件

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1、第四章第四章 电阻式传感器电阻式传感器赵立波赵立波20092009年年9 9月月 主要内容主要内容4.1概概述述4.2 应变式传感器应变式传感器4.3 压阻式传感器压阻式传感器4.1概述概述基本原理：被测量基本原理：被测量电阻值电阻值应应变变式式传传感感器器：利利用用应应变变式式变变换换原原理理制制成成电电阻阻式应变片或应变薄膜或应变丝等。式应变片或应变薄膜或应变丝等。压阻式传感器：利用压阻效应制成压敏电阻。压阻式传感器：利用压阻效应制成压敏电阻。主要内容主要内容4.1 概概 述述4.2应变式传感器应变式传感器4.3 压阻式传感器压阻式传感器u4.2.1工作原理工作原理u4.2.2金属应变片的

2、主要特性金属应变片的主要特性u4.2.3测量电路测量电路u4.2.4应变式传感器应用应变式传感器应用4.2应变式传感器应变式传感器（一）金属的电阻应变效应（一）金属的电阻应变效应 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。发生机械变形时，其电阻值将发生变化。4.2.1工作原理工作原理F l、A、R对于半径为对于半径为r的圆导体，的圆导体，A=r2，A/A=2r/r；又由材料力学可知，在弹性范围内，又由材料力学可知，在弹性范围内，电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为导体的纵向应变，其数值一般

3、很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为压阻系数，与材质有关；为应力值；为应力值；E为材料的弹性模量。为材料的弹性模量。金属电阻的灵敏系数金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）随应变引起的（压阻效应）金属材料：金属材料：k0以前者为主，以前者为主，k01+2=1.62半半导导体：体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定。值主要是由电阻率相对变化所决定。位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏弹性敏感元件感元件 应变应

4、变 外力作用外力作用被测对象表面产生微小机械变形被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化电阻值发生相应变化 应变片应变片（二）应变式传感器工作过程（二）应变式传感器工作过程（三）（三）应变片的基本结构与种类应变片的基本结构与种类u金属丝式金属丝式u金属箔式金属箔式u金属薄膜式金属薄膜式u半导体式半导体式1敏感栅敏感栅2基底基底3引线引线4盖层盖层5粘结剂粘结剂6电极电极金属丝式应变片金属丝式应变片金属电阻丝应变片的基本结构金属电阻丝应变片的基本结构1-基底；基底；2-电阻丝；电阻丝；3-覆盖层；覆盖层；4-引出线引出线敏感栅：直径为敏感栅：直径为2

5、5m左右的合金电阻丝左右的合金电阻丝基基底：绝缘，底：绝缘，0.03-0.06mm覆盖层：保护覆盖层：保护引出线：镀银铜丝，或铬镍、铁铬铝金属丝，引出线：镀银铜丝，或铬镍、铁铬铝金属丝，0.15mm金属丝式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片a、c回线式；回线式；b、d短接式短接式回回线线式式：最最为为常常用用，制制作作简简单单，性性能能稳稳定定，成成本本低低，易易粘粘贴，但其贴，但其应变横向效应较大应变横向效应较大。短短接接式式：应应变变片片两两端端用用直直径径比比栅栅线线直直径径大大5 51010倍倍的的镀镀银银丝丝短接。优点是短接。优点是克服了横向效应克服了横向效应，但制造工

6、艺复杂。，但制造工艺复杂。金属箔式应变片金属箔式应变片u在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为3m10m电阻箔材，利用照电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。u康铜、改性镍铬合金（卡玛合金、镍铬锰硅合金等）康铜、改性镍铬合金（卡玛合金、镍铬锰硅合金等）金属箔式应变片金属箔式应变片u优点：优点：u尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，u可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 u与被测试件接触面积大，粘结性能好；与被测试件接触面积大，粘结性能好

7、；u散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。u横向效应可以忽略。横向效应可以忽略。u蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。u缺点：缺点：u电阻值的分散性大电阻值的分散性大阻值调整阻值调整金属薄膜应变片金属薄膜应变片u采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。现工业化批量生产。u优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作

8、范围广，工作范围广，197317，易实现，易实现工业化生产。工业化生产。u问题：难控制电阻与温度和时间的变化关问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。系。半导体应变片半导体应变片u由由单单晶晶半半导导体体经经切切型型、切切条条、光光刻刻腐腐蚀蚀成成形形，然后粘贴在薄的绝缘基片，最后再加上保护层。然后粘贴在薄的绝缘基片，最后再加上保护层。u优优点点：体体积积小小，灵灵敏敏度度高高，机机械械滞滞后后小小，动动态态特性好。特性好。u缺缺点点：灵灵敏敏系系数数的的温温度度稳稳定定性性差差，非非线线性性大大，分散性大，互换性差。分散性大，互换性差。1.8mm0.8mm应变片的电阻值应变片的电阻值Ru应变

9、片在未经安装也不受外力情况下，于应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值。室温下测得的电阻值。u电阻系列：电阻系列：60、120、200、350、500、1000可以加大应变片承受电压，可以加大应变片承受电压，u电阻值大电阻值大输出信号大，输出信号大，敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大电阻应变片的材料电阻应变片的材料u敏感栅敏感栅：u灵敏系数灵敏系数k0和电阻率和电阻率尽可能高且稳定；尽可能高且稳定；u电阻温度系数小；电阻温度系数小；u机机械械强强度度高高，压压延延及及焊焊接接性性好好，抗抗氧氧化化/腐腐蚀蚀能力强，机械滞后微小，价格便宜。能力强，机械滞后微小，价格便宜。u常常用用

10、材材料料：康康铜铜、镍镍铬铬、铁铁铬铬铝铝、铁铁镍镍铬铬及及贵金属贵金属电阻应变片的材料电阻应变片的材料u基基底底：纸纸基基、胶胶基基（环环氧氧/酚酚醛醛树树脂脂、聚聚酰酰亚亚胺胺），0.03-0.06mm。u粘合剂：粘合剂：u机械强度高，弹性模量大；机械强度高，弹性模量大；u粘合力强，固化内应力小，膨胀系数与试件接近；粘合力强，固化内应力小，膨胀系数与试件接近；u电绝缘性好；电绝缘性好；u耐老化、耐疲劳；耐老化、耐疲劳；u蠕变小，滞后现象弱；蠕变小，滞后现象弱；u无毒，无腐蚀；无毒，无腐蚀；u使用温度范围宽。使用温度范围宽。4.2.2金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性（一）（一）灵敏系

11、数灵敏系数（二）（二）横向效应横向效应（三）（三）温度误差及其补偿温度误差及其补偿（一）灵敏系数（一）灵敏系数“标称灵敏系数标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中抽样的钢等。一批产品中抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数电阻应变片的灵敏系数k k 电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数k k0 0 粘结层传递变形失真粘结层传递变形失真横向效应横向效应原因：原因：（二）横向效应（二）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成：敏感栅是由多条直线和圆弧

12、部分组成：直线段直线段：沿轴向拉应变：沿轴向拉应变x x，电阻电阻圆弧段圆弧段：沿轴向压应变：沿轴向压应变y y，电阻电阻K l lyxy（二）横向效应（二）横向效应u应应变变片片的的横横栅栅部部分分将将纵纵向向丝丝栅栅部部分分的的电电阻阻变变化化抵抵消消了了一一部部分分，从从而而降降低低了了整整个个电电阻阻应应变变片片的的灵灵敏敏度度，带带来来测测量量误误差差，其其大大小小与与敏敏感感栅栅的的构构造及尺寸有关。造及尺寸有关。u敏敏感感栅栅的的纵纵栅栅愈愈窄窄、愈愈长长，而而横横栅栅愈愈宽宽、愈愈短短，则横向效应的影响愈小。则横向效应的影响愈小。（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿1、

13、敏敏感感栅栅电电阻阻随随温温度度的的变变化化引引起起的的误误差差。当当环环境境温温度度变变化化t 时时，敏敏感感栅栅材材料料电电阻阻温温度度系系数数为为，则则引引起起的的电电阻阻相相对对变变化为：化为：2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化：拉长（或压缩），引起的电阻相对变化：（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿相应的虚假应变输出：相应的虚假应变输出：可得由于温度变化而引起的总电阻变化为：

14、可得由于温度变化而引起的总电阻变化为：（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿 选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片自补偿法自补偿法 双金属自补偿应变片双金属自补偿应变片 双金属差动应变片双金属差动应变片 线路补偿法线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻电桥补偿法、热敏电阻温度补偿温度补偿 （三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿u合理选择应变片和使用构件，使得温度引起的合理选择应变片和使用构件，使得温度引起的附加应变为零。附加应变为零。u缺点：一种确定的应变片只适用于一种材料，缺点：一种确定的应变片只适用于一种材料，单一。单一。自补偿法自补偿法自补偿法自补偿法-选择式选择式选择式选择式（三）

15、温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿u敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。u选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和和R2的的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足比例，使温度变化时产生的电阻变化满足：u通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达偿，可达0.45m/的高精度。的高精度。自补偿法自补偿法自补偿法自补偿法-双金属双金属双金属双金属（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿 自补偿法自补偿法自补偿法自补偿法-双金属差动双金属差动双金

16、属差动双金属差动优点：适用于不同的线膨胀系数测试件；优点：适用于不同的线膨胀系数测试件；缺点：缺点：RB精度高，灵敏度下降；精度高，灵敏度下降；要求：要求：1）补偿栅材料，电阻温度系数大，电阻率小；）补偿栅材料，电阻温度系数大，电阻率小；2）工作栅材料，电阻率大，电阻温度系数小。）工作栅材料，电阻率大，电阻温度系数小。（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿 电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法-补偿片补偿片补偿片补偿片 优点：简单，方便，常温下补偿效果好；优点：简单，方便，常温下补偿效果好；缺点：温度梯度变化较大时，很难保证温度完全一致。缺点：温度梯度变化较大时，很难保证温度完全一致

17、。（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿 电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法-差动差动差动差动 I（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿 电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法-热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻4.2.3测量电路测量电路（一）（一）直流电桥直流电桥（二）（二）非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 （一）（一）直流电桥直流电桥检流计应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R（一）（一）直流电桥直流电桥采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，上式写为：，上式写为：当当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则：时，略

18、去上式中的高阶微量，则：（一）（一）直流电桥直流电桥uRi R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时，电桥的输出电压与应变成线性关系。u若相邻两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之差；若应若相邻两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之差；若应变极性不同，则输出电压为两者之和。变极性不同，则输出电压为两者之和。u若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。则为两者之差。uUin越高，越高，Uout越大。但当越大。但当Uin大时，电流也大，若超过电阻大时，电流也大，若超过电阻应变片允许的最大工作电流，就会出现蠕变和零漂。应变片

19、允许的最大工作电流，就会出现蠕变和零漂。u增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。可提高电桥的输出电压。（二）（二）非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿假设假设R1/R11，略去分母中的，略去分母中的R1/R1项，得单臂电桥，项，得单臂电桥，即即R1桥臂变化桥臂变化R，理想的线性关系：，理想的线性关系：实际输出电压实际输出电压电桥的相对非线性误差为：电桥的相对非线性误差为：（二）（二）非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿减小非线性误差采用的措施为减小非线性误差采用的措施为减小非线性误差采用的措施为减小非线性误差采用的措施为：u差动电桥差动电桥u恒流源全桥差动恒

20、流源全桥差动（二）（二）非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施：半桥差动半桥差动R1R2FR1R2R3R4=R，R1R2=R 严格的线性关系严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用温度补偿作用减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施：半桥差动半桥差动（二）（二）非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施：全桥差动全桥差动（二）（二）非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿（二）（二）非线性误差及

21、其补偿非线性误差及其补偿减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施减小非线性误差措施：恒流全桥差动恒流全桥差动4.2.4应变式传感器应用应变式传感器应用（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器（三）（三）应变式液位传感器应变式液位传感器（四）（四）应变式加速度传感器应变式加速度传感器（五）（五）应变式转矩传感器应变式转矩传感器（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-柱式柱式柱柱柱柱式式式式力力力力传传传传感感感感器器器器（a）实心圆柱；（实心圆柱；（b）空心圆筒空心圆筒（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-柱式柱式（一）（一）应变式

22、力传感器应变式力传感器-柱式柱式（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-柱式柱式横向力的影响？横向力的影响？p测量误差测量误差p不稳定工作不稳定工作形成弯曲变形形成弯曲变形（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-柱式柱式减小横向力的影响减小横向力的影响（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-柱式柱式减小横向力的影响减小横向力的影响（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-环式环式（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-梁式梁式等截面梁等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高，适合于测结构简单，易加工，灵敏度高，适合于测5000N5000N以下的载荷。以下的载荷。b0R1R1R2R2l l0

23、 0l lF Fb bh（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-梁式梁式b0R1R1R2R2X Xl lF Fb bh等强度梁等强度梁 （一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-梁式梁式双端固支梁双端固支梁 （一）（一）应变式力传感器应变式力传感器-梁式梁式S型梁型梁（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器-平膜片式平膜片式R1R2R3R4（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器-筒式筒式液压系统：液压系统：106-107Pa，枪炮的膛内压力：，枪炮的膛内压力：108Pa。（二）（二）应变式压力传感器应变

24、式压力传感器-组合式组合式u应变片不直接粘贴在压力感受元件上，压力敏感元件应变片不直接粘贴在压力感受元件上，压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等。为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等。u通常用于测量小压力。通常用于测量小压力。u其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。（三）（三）应变式液位传感器应变式液位传感器（四）（四）应变式加速度传感器应变式加速度传感器在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。1 1等强度梁；等强度梁；2 2质量块；质量块；3 3壳

25、体；壳体；4 4电阻应变片电阻应变片（四）（四）应变式加速度传感器应变式加速度传感器（五）（五）应变式转矩传感器应变式转矩传感器主要内容主要内容4.1 概概 述述4.2 应变式传感器应变式传感器4.3压阻式传感器压阻式传感器4.3.1半导体材料半导体材料4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理4.3.3扩散电阻的阻值与几何参数的确定扩散电阻的阻值与几何参数的确定4.3.4压阻式传感器温度漂移的补偿压阻式传感器温度漂移的补偿4.3.5典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器4.3压阻式传感器压阻式传感器4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材

26、料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅直直拉拉法法悬悬浮浮区区熔熔法法4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅u单晶硅的晶向、晶面的表示单晶硅的晶向、晶面的表示4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅密勒指数密勒指数 4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅u单晶硅的晶向、晶面的表示单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数密勒指数1.ABCD面面(100)，2.ADGF面面(110)，3.AHF面面(111)，4.BCHE面面4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅4.3.1半导体材料半导体材料-硅硅材料

27、材料y109N/m2E1011N/m2g/cm3cJ/gkW/cm10-6/TM单晶硅单晶硅7.001.902.300.701.572.331400铝铝0.170.702.700.942.3625660不锈钢不锈钢2.102.007.900.470.32917.301500铜铜0.070.118.90.3863.9316.5610804.3.1半导体材料半导体材料-硅硅材料材料y y109N/m2E1011N/m2g/cm3cJ/gkW/cm10-6/TM单晶硅单晶硅7.001.902.300.701.572.331400多晶硅多晶硅1.60SiC21.007.003.200.673.503.

28、302300Si3N414.003.853.100.690.190.801930SiO28.400.732.271.000.0140.501700石英石英0.50.70.760.972.660.821.200.070.127.1017104.3.1半导体材料半导体材料-硅硅u半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应u压阻系数压阻系数4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理u半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应半导体材料的电阻特性半导体材料的电阻特性4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理u压阻系数压阻系数l 应力作用方向与通过压阻元件电流方向一致应力作用方

29、向与通过压阻元件电流方向一致时的压阻系数，时的压阻系数，称为纵向压阻系数；称为纵向压阻系数；t 应力作用方向与通过压阻元件电流方向垂直应力作用方向与通过压阻元件电流方向垂直时的压阻系数，称为横向压阻系数；时的压阻系数，称为横向压阻系数；4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理压阻系数矩阵压阻系数矩阵u压阻系数压阻系数P型硅：型硅：N型硅：型硅：可忽略，可忽略，可忽略，可忽略，4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理u压阻系数压阻系数4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理P 方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦 任意晶向的压阻系数任意晶向的压阻系数Q 方向在标

30、准的立方晶格坐标系中的方向余弦方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦 u压阻系数压阻系数4.3.1压阻式变换原理压阻式变换原理P P型硅型硅型硅型硅(100)(100)面内面内面内面内的纵向和横向压阻系数的分布图的纵向和横向压阻系数的分布图u压阻系数压阻系数4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理u影响压阻系数的因素：影响压阻系数的因素：u晶向晶向u扩散杂质的表面浓度扩散杂质的表面浓度，Ns4.3.2压阻式变换原理压阻式变换原理u影响压阻系数的因素：影响压阻系数的因素：u温度温度，Ns低时，低时，T下降的快下降的快Ns高时，高时，T下降的慢下降的慢4.3.3扩散电阻的阻值与几何参数扩散电阻的阻值

31、与几何参数u电阻条的形状：电阻条的形状：4.3.3扩散电阻的阻值与几何参数扩散电阻的阻值与几何参数u电阻条的尺寸：方块电阻，长电阻条的尺寸：方块电阻，长/宽度宽度式中，式中，K1端头校正因子，端头校正因子，K2弯头校正因子，弯头校正因子，n弯角数。弯角数。当当b25m时，时，K1=0.84.3.3扩散电阻的阻值与几何参数扩散电阻的阻值与几何参数u电阻条的单位宽度上的最大工作电流电阻条的单位宽度上的最大工作电流u 单位面积的允许功耗为：单位面积的允许功耗为：10W/m24.3.3扩散电阻的阻值与几何参数扩散电阻的阻值与几何参数u电阻条的位置：电阻条的位置：（001）晶面）晶面1）等平均应力（绝对

32、值）并最大限）等平均应力（绝对值）并最大限度利用应力；度利用应力；2）等压阻系数；）等压阻系数；3）等电阻值；）等电阻值；4）等温度系数和等灵敏度系数。）等温度系数和等灵敏度系数。4.3.4压阻式传感器温度漂移的补偿压阻式传感器温度漂移的补偿热零点漂移热零点漂移的产生是由于压阻力敏芯片的的产生是由于压阻力敏芯片的4 4个电阻个电阻条阻值随温度变化引起的。条阻值随温度变化引起的。4.3.4压阻式传感器温度漂移的补偿压阻式传感器温度漂移的补偿热灵敏度漂移热灵敏度漂移主要是半导体材料的压阻系数和主要是半导体材料的压阻系数和电阻电阻温度系数随温度的变化造成的。温度系数随温度的变化造成的。4.3.4压阻

33、式传感器温度漂移的补偿压阻式传感器温度漂移的补偿4.3.5典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器u压阻式压力传感器压阻式压力传感器u压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器4.3.5典型压阻式传感器典型压阻式传感器-压力压力1）敏感元件的版图设计）敏感元件的版图设计2）敏感元件的制作工艺）敏感元件的制作工艺3）机械结构设计）机械结构设计4）封装工艺研究）封装工艺研究5）制作过程）制作过程6）性能测试）性能测试研制过程研制过程通过对传感器压阻力敏芯片的结构进行理论设计分析，制作通过对传感器压阻力敏芯片的结构进行理论设计分析，制作出了耐高温传感器固态压阻力敏芯片的系列设计版图。出了耐高温传感器固态压阻力

34、敏芯片的系列设计版图。（001）晶面的方案方案选择1）敏感元件的版图设计）敏感元件的版图设计发明专利：ZL 03 1 4446.1划片道 压焊盘 电阻条 对准符 外形：1.6mm1.8mm电阻条宽度：12.5 m，长度：750 m阻值：1.4K 1.1）平膜版图结构）平膜版图结构压焊盘 电阻条 内引线 对准符 外形；5mm5mm内圈：2mm 外形：7mm7mm内圈：4mm 发明专利：ZL 03 1 34447.X 电阻条宽度：12.5 m，长度：750 m阻值：1K 1.2）倒杯版图结构）倒杯版图结构1.2）倒杯版图有限元分析）倒杯版图有限元分析划片道压焊盘内引线电阻条对准符 外形：5mm5m

35、m电阻条宽度：12.5 m，长度：750 m阻值：1K 1.3）C型杯版图结构型杯版图结构1.3）C型杯版图有限元分析型杯版图有限元分析力敏电阻版图 引线孔版图 内引线版图 以倒杯版图结构为例：共需要三块分立的版图1.4）版图分解）版图分解 制制作作出出了了耐耐高高温温传传感感器器的的核核心心元元件件系系列列耐耐高高温温固固态态压压阻阻力力敏敏芯芯片片的的制制造造工工艺艺，提提高高了了传传感感器器的的高高温温可可靠靠性性，突突破破了了传传感感器器在在高高温温(120(120250250)下的压力测量瓶颈。下的压力测量瓶颈。2）耐高温压阻力敏芯片的制作）耐高温压阻力敏芯片的制作扩散硅压力传感器力

36、敏芯片原理扩散硅压力传感器力敏芯片原理大于120 时无法工作2）耐高温压阻力敏芯片的制作）耐高温压阻力敏芯片的制作耐高温压阻力敏芯片原理耐高温压阻力敏芯片原理可在350下可靠工作2）耐高温压阻力敏芯片的制作）耐高温压阻力敏芯片的制作2.1漏电流分析扩散硅压力传感器力敏芯片漏电流分析扩散硅压力传感器力敏芯片The leakage current doubles with every 8 increase.For example,at 170 with 1mA powered,the leakage current increase to be 1.3mA.2）耐高温压阻力敏芯片的制作）耐高温压阻

37、力敏芯片的制作2.1漏电流分析耐高温压阻力敏芯片漏电流分析耐高温压阻力敏芯片2）耐高温压阻力敏芯片的制作）耐高温压阻力敏芯片的制作高能氧离子注入(SIMOX)及外延离子注入掺杂驱入与活化氧化和LPCVD光刻RIE/ICP刻蚀硅套刻静电键合通电孔和硅合金化窗口多层化金属溅射多层金属化光刻欧姆接触热处理减薄划片2.2）主要工艺步骤）主要工艺步骤刻蚀引线孔和静封导电孔溅射钛铂金梁式引线制作减薄、划片外延SOI材料SOI材料热氧化等离子体刻蚀浮雕力敏电阻热氧化应力缓冲层外延氮化硅硼离子注入2.3）主要工艺示意图）主要工艺示意图该制造工艺制作的芯片具有以下优点：该制造工艺制作的芯片具有以下优点：抗干扰和

38、稳定性抗干扰和稳定性保持长期稳定，抗干扰能力强，保持长期稳定，抗干扰能力强，适用于恶劣环境适用于恶劣环境功耗功耗减少减少30%80%响应速度响应速度提高提高20%30%工作温度工作温度-553502.4）系列耐高温压阻力敏芯片）系列耐高温压阻力敏芯片平膜芯片倒杯芯片C型杯芯片浮雕电阻二氧化硅硅基底2.5）耐高温压阻力敏芯片的）耐高温压阻力敏芯片的SEM照片照片发明专利：ZL01128782.9、ZL03134448.8、ZL200510042774.1 设设计计出出了了多多种种具具有有抗抗瞬瞬时时超超高高温温冲冲击击或或高高过过载载等等特特点点的的耐高温压力传感器结构：耐高温压力传感器结构：解

39、解决决了了耐耐高高温温压压力力传传感感器器在在瞬瞬时时超超高高温温(2000)(2000)，及及火火炮炮、导导弹弹发发射射、炸炸药药柱柱起起爆爆等等条条件件下下的的高高温温动动态态超超高高压压力力测量难题；测量难题；突突破破了了耐耐高高温温压压力力传传感感器器在在高高压压(100(100MPaMPa)、高高过过载载(30(30倍满量程倍满量程)等高温条件下的压力测量瓶颈。等高温条件下的压力测量瓶颈。3）机械结构设计）机械结构设计1-1-压紧帽压紧帽 2-2-外壳外壳 3-3-梁梁 4-4-圆形膜片圆形膜片 5-5-底座底座 6-6-SOISOI平膜芯片平膜芯片发明专利：ZL 01 1 2878

40、2.9 123456压力压力P P3.1）耐瞬时高温压力传感器结构）耐瞬时高温压力传感器结构3.1.1）量程与结构尺寸的关系）量程与结构尺寸的关系3.1.2）频响特性分析）频响特性分析瞬时瞬时2000温度冲击模拟温度冲击模拟当当20002000高温气流作用高温气流作用1s1s时，求解得到的悬臂时，求解得到的悬臂梁处温度不到梁处温度不到100100。3.1.3）热学分析）热学分析1-压紧帽；压紧帽；2-外壳；外壳；3-基座；基座；4-高温转接板；高温转接板；5-SOI倒杯或倒杯或C型杯芯片；型杯芯片；6-金丝；金丝；7-高温电缆线高温电缆线发明专利：ZL 03 1 34447.X a）倒杯式倒杯

41、式b）C型杯型杯3.2）硅杯耐高温压力传感器结构）硅杯耐高温压力传感器结构简化模型芯片上表面的应力分布曲线3.2.1）倒杯式结构的量程设计）倒杯式结构的量程设计3.2.2）量程与芯片尺寸的关系）量程与芯片尺寸的关系3.2.3）量程设计理论值与模拟比较）量程设计理论值与模拟比较3.2.4）频响特性分析）频响特性分析3.2.5）频响特性理论值与模拟比较）频响特性理论值与模拟比较1-SOI平膜芯片；平膜芯片；2-弹性元件；弹性元件；3-过载保护块；过载保护块；4-高温转接板；高温转接板；5-外壳；外壳；6-压紧帽压紧帽发明专利：ZL 2005 1 0042728.13.3）高过载压力传感器结构）高过

42、载压力传感器结构变形柱垫片 壳体SOI平膜芯片 转接板 后盖柱体式超高压动态压力传感器分解结构发明专利：ZL 2005 1 0042774.1 1-垫片；垫片；2-壳体；壳体；3-应变柱体；应变柱体；4-SOI平膜芯片；平膜芯片；5-转接板；转接板；6-后盖后盖3.4）超高压动态压力传感器结构）超高压动态压力传感器结构1-弹性元件；弹性元件；2-主保护盖；主保护盖；3-高温电缆线；高温电缆线；4-SOI平膜芯片；平膜芯片；5-高温转接板；高温转接板；6-次保护盖；次保护盖；7-螺钉螺钉发明专利：ZL 03 1 34448.8 3.5）石油井下动态压力传感器结构）石油井下动态压力传感器结构发明专

43、利：ZL 2005 1 0042728.1弹性元件表面打毛、清洁表面丝网涂覆玻璃浆料80mm焙烘再涂覆40mm的浆料刮擦芯片至封装位置加压固化随炉冷却去应力高低温循环耐高温传感器封装工艺 研研究究了了耐耐高高温温固固态态压压阻阻力力敏敏芯芯片片和和弹弹性性元元件件的的无无应应力力固固-固固封封装装工工艺艺，提提出出了了合合理理的的封封装装材材料料和和封封装装工工艺艺参参数数，使使传传感感器器在在高高温温(120200)和和瞬瞬时时超超高高温温(2000)条件下可长期稳定工作。条件下可长期稳定工作。4）封装工艺研究）封装工艺研究焊料质量密度(g/cm3)弹性模量(Gpa)泊松比热胀系数（ppm）

44、热熔(J/kgoC)热导率(W/moC)AuSn14.5167.80.421612857CuAgSn7.4254.20.342223068Glass2.2362.70.23.2543020Epoxy1.24.10.425256030不同焊料焊接层上的剪切应力 剪切应力与焊料厚度的关系（CuAgSn）4.1）封装材料性能研究）封装材料性能研究梁结构梁结构圆膜结构圆膜结构倒杯结构倒杯结构C C杯结构杯结构4.2）无应力封装结构）无应力封装结构5）制作过程）制作过程挑芯片清洗芯片、玻璃环和机械壳体静电键合金丝球焊初测固定金丝时漂带电高低温老化封装合格芯片封装转接板焊内外引线静态标定高低温补偿时漂、总测、封装芯芯片片裸裸露露型型5）制作过程）制作过程挑芯片清洗芯片和机械壳体封装合格芯片封装陶瓷垫高温充油静态标定高低温补偿时漂、总测、封装充充油油芯芯体体型型金丝球焊焊波纹膜片焊高温转接板典型压力传感器典型压力传感器6）性能测试）性能测试传感器静态测试静态测试典型应用典型应用4.3.5典型压阻式传感器典型压阻式传感器-加速度加速度扩散电阻质量块基座应变梁a4.3.5典型压阻式传感器典型压阻式传感器-加速度加速度4.3.5典型压阻式传感器典型压阻式传感器-加速度加速度4.3.5典型压阻式传感器典型压阻式传感器-加速度加速度总结！