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压阻式压力传感器及其应用电路设计

发布日期:2021-02-02 21:09

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  1- 测量与检修 文 章 编 号 !##$%&#&’$##$(#)%##$%#* -33-年第 --卷第 2期 压阻式压力传感器及其应用电路设计 才 滢+毕 鹏 ’,-.,/部队 0,分队+辽宁 葫芦岛 1-2333( 摘 要!介绍了压阻式传感器的工作原理以及相关应用电路+并给出了一个应用示例 加以说明4 关 键 词 !传 感 器 5压 阻 5应 变 中图分类号!67-1-8, 文献标识码!9 :;==;?;=@=ABCDEFG:;==;HC=I;BCJK=@LCIMNA=@;D@A RSTUVWX+9T7VWX ’YSZS[\V]^_[_X‘SWa6Vb]RVW]V^+cd[daS_1-2333+ReTWS( Of=A;BDA!6eV _gV^S]TWX g^TWhTg[V SWa ^V[S]TZV Sgg[ThS]T_W hT^hdT] _ig^Vbbd^V% ^VbTb]SWhVbVWb_^S^Vg^VbVW]VaTW]eTbgSgV^jkWaSWSgg[TVaVlSmg[VTbXTZVW]_be_n S[[ _i]e_bVj oFpI;J=!bVWb_^5g^Vbbd^V%^VbTb]SWhV5b]^STW 目 前+压 力 传 感 器 种 类 很 多+有 振 动 筒 式q 石 英波登管式q压阻式q应变 片 式 等 多 种4其 中 振 动 筒 式 压 力 传 感 器 虽 然 不 确 定 度 可 达 38-r st+但 它 仅 适 用 于 测 量 以 气 体 为 介 质 的 压 力 +测 压 范 围 很 小5石 英 波 登 管 式 压 力 传 感 器 不 确 定 度 能 达 到 383-r+测 压 范 围 也 很 大+可 达 u3\7S以 上+但 这 种 传 感 器 结 构 复 杂q成 本 高5 应变式压力传感器测量上限一般不超过 -2\7S+不确 定度为 1rst+目 前 市 场 上 有 上 限 达 u3\7S的 这 类 压 力 传 感 器+但 制 作 工 艺 较 差+可 靠 性 低+特 别 是 1\7S以 下 的 传 感 器+不 确 定 度很难达到 383.rst5压 阻 式 压 力 传 感 器 利 用 单 晶 硅 的 压 阻 效 应 制 成+它 采 用 集 成 电 路 工 艺+结 构 简 单+测 压 上 限 可 达 到 u3\7S+具 有 工 作 可 靠q耐 腐 性q抗 干 扰 能 力 强 等 特 点+国 内 有 些 厂 家 利 用 美 国 生 产 的 传 感 器 芯 片+加 上 严 格 的 组 装 工 艺+其 不 确 定 度 可 达 383.rst以 上 +在 压 力 测 量 领 域 得 到 了 较 广 泛 的 应 用 4 压阻式传感器 电阻式传感器是将输入的机械 量 应 变 v转 换为电阻值变化的变换元件4电阻变换器的输 入 量 为 应 变 vw xyzy+即 材 料 的 长 度 相 对 变 化 量+它是一个无量纲的相对值4通 常 vw 13{u为 一个微应变4电阻变换器的输出量为电阻值的 相对变化量 xz4电阻变换器有金属电阻变换 器和半导体电阻变换器两种类型4根据半导体 材料的压阻效应!x}z}w~!且 !wv其中!!是 应 力 ’#z$(5~是 压 阻 系 数+~w ’.3% 03(& 13{11m-zY+ 是 弹 性 模 量+w 18u’& 1311Yz m-+所 以 电 阻 的 相 对 变 化 为 ’xz(( ~v4 要 测 量 其 他 物 理 量 +如 压 力 q力 q加 速 度 等 +就 需 要 先 将 应 变 片 贴 在 相 应 的 弹 性 元 件 上+这 些 物 理 量 被 转 换 为 弹 性 元 件 的 应 变+再 经 应 变 片 将 应 变 转 换 为 电 阻 输 出 量+应 变 传 感 器 的 组 成 框 图 如图 14 图1 航空计测技术 测量与检修 40 ! 供电及信号处理电路 !# 供电电路 压 阻 式 传 感 器 可 以 用 恒 压 源 供 电$也 可 用 恒 流 源 供 电$但 恒 压 源 供 电 与 恒 流 源 供 电 相 比 存 在 环 境 温 度 影 响 不 能 消 除 的 问 题$如 图 %所 示& 电 路 $它 采 用 双 电 源 供 电 以 避 免 共 模 干 扰 &电 流 /1, %23’$其 稳 定 度 取 决 于 基 准 电 压 源 4510 和电阻 6的稳定度& !! 处理电路 压 阻 式 传 感 器 的 满 量 程 输 出 信 号 为 718 0219: 不 等$其 输 出 阻 抗 很 高$这 就 要 求 放 大 电 路 须 有 更 高 的 输 入 阻 抗$不 从 传 感 器 输 出 端 吸收电流$以免破坏传感器 的工 作状态$这里 介 绍的放大电路如图 5所示& 图% 假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为 ’$当有应力时$两个电阻阻值增加$增量为 (’$ 另 两 个 电 阻 阻 值 减 小$减 小 量 为 (’$由 于 温 度 影响$使每小电阻值都有 (’) 的变化量&因此$ 电桥的输出* 恒压时 +, - (’ ’. (’) 可以看出输出电压 +与温度有关且为非线性$ 所 以 用 恒 压 源 供 电 时 $不 能 消 除 温 度 的 影 响 & 恒流时 +,/(’ 可 以 看 出 输 出 电 压 +与 温 度 无 关$这 就 消 除 了 温度对传感器输出信号的影响& 所以$可采用如图 0所示的恒流源供电 图0 图5 这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共 模 抑 制 比 和 开 环 增 益;失 调 电 流电 压噪 声 和 漂移都很小&图中 =4$=%组成第一级同相并联 差 动 放 大 器$这 一 级 的 放 大 输 出 为 +1, +14? +1%, @4. A’4. ’%B3CD+E;=4$=% 输 入 端 不 吸 收电流$并且电路结构对称$漂 移和 失调相 互抵 消$具 有 抑 制 共 模 信 号 干 扰 的 能 力;=0 构 成 第 二级差动放大$提高放大倍 数$欲有效 地抑制 共 模信号干扰$须使电路中 ’0,’5,’$’2,’F, ’G 则放大器总输出为 +1 , ? A’G3’B+1 , ? A’G3’B@4. A’4. ’%B3C D+E 调 节 电 位 器 C$可 改 变 放 大 器 增 益$令 ’4 ,’%$则 +1,?A’G3’B@4.%’3CD+E H 典型应用 下面是压阻式传感器在压力表自动检定系 统 中 的 应 用 示 例$该 系 统 可 完 全 取 代 原 来 115 8 1FIJK$148 FIJK$48 F1IJK$三 台 活 塞 式压力计$对 1%2级以 下所有 压力 表可实 施半 (1 测量与检修 .//.年第 ..卷第 期 自动检定!将大大减轻操作者 的劳动 强度!提高 检定效率!整机框图如图 所示# 图 因 为 整 个 系 统 有 $只 压 力 传 感 器!用 到 其 完成传感器的识别# 中一只时才把它连接到系统的传感器接头上! 为防止因接错传感器而造成对压力传感器的过 载 性损害!就需要给传感器带 上%身份 证&!并通 过 电 路 和 把 接 入 的 传 感 器 识 别 出 来!让 单 片 机 参考文献 (高 岭 *压 敏 电 阻 技 术 *北 京 +电 子 出 版 社 !(,,- 进行判断分析#这里考虑给传感器带上短路插 头!加上由 $只电阻和’ () 电源 构 成的 插 座! 收 稿 日 期 +.//.0/10/( 作 者 简 介 +才 滢 2(,3.04!男 !工 程 师 # %第十三届多国仪器仪表展览会26789:;.//.4&在京开幕 由 中 国 仪 器 仪 表 学 会 主 办 的 %第 十 三 届 多 国 仪 器 仪 表 展 览 会 26789:;.//.4&于 ,月 .1日 在 北 京 展 览 馆 开 幕 #来 自 美 国 =日 本 =英 国 = 德 国=瑞 士=瑞 典=俄 罗 斯=意 大 利=澳 大 利 亚=芬 兰=荷 兰=匈 牙 利=丹 麦=韩 国=中 国 大 陆 及 港 台 地 区 的 /余 家 企 业 的 近 万 种 产 品 荟 萃 于 北 京 展 览馆的全部 (.个展厅#绝大多数的企业都带 来了各自的最新产品# 展 会 期 间!有 近 /家 企 业 就 用 户 关 心 的 技 术热点举办了技术交流专场活动# 自 (,-年 开 始!中 国 仪 器 仪 表 学 会 与 联 合 国 教 科 文 组 织 2?:;@894=联 合 国 工 发 组 织 2?:7A94=美 国 仪 器 仪 表 学 会 27@B4=英 国 测 量 与 控 制 学 会 26C84=日 本 测 量 与 控 制 学 会 2@78;4共 同 发 起 组 织 了 %多 国 仪 器 仪 表 学 术 会 议 暨展览会4#(,,1年 6789:; 正式 加 入 了 国 际 展 览 联 盟 2?D74组 织!并 正 式 成为国际仪器仪表测量与自动化展览联合会 2EFGHI0DJKL4的创始会员#目前 6789:;已 经成为国内乃至亚洲仪器仪表专业的第一大 展# 由中国仪器仪表学会主办的 %6789:;.//.仪 器 仪 表 与 自 动 化 技 术 发 展 学 术 大 会&于 ,月 .日 在 北 京 中 国 科 技 会 堂 隆 重 开 幕 #本 届 大 会 的 主 题 是 %以 仪 器 仪 表 与 自 动 化 技 术 为 前 沿 的 .(世 纪 产 业 革 命 &# 大 会 设 立 了 ,各专业分会场!参加学术会议的代表逾 -// 人# 会 议 期 间 主 办 单 位 还 首 次 举 办 了 %仪 器 仪 表 企 业 高 管 沙 龙 &!/余 位 仪 器 仪 表 企 业 的 高 级 管理人员同我国的经济界人士共叙新时期国民 经济中的仪器仪表产业现状及前景# 压阻式压力传感器及其应用电路设计 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 才滢, 毕鹏 92493部队89分队,辽宁,葫芦岛,125000 航空计测技术 AVIATION METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY 2002,22(5) 6次 参考文献(1条) 1.高岭 压敏电阻技术 1998 相似文献(10条) 1.会议论文 张述男 对压阻传感器炮口冲击波测量系统的分析讨论 1986 该文在现有冲击波测量系统不能满足对炮口冲击波的测量精度情况下,提出了研制新测量系统的必要性。通过对冲击波的信号分析 ,对于不同正压力持续时间的炮口冲击波的测量、系统应具有的最小频带宽度作了较详细的讨论。为了扩大测量系统的工作频带,采用 了高频响的压阻传感器、放大器及记录仪器,使系统测量精度相应得到提高。文章对压阻传感器炮口冲击波测量系统由于频响不足引起 的测量误差作了分析,并且与铝膜应变式,声级计测量系统作了炮口冲击波超压值的测量对比试验。事实证明,压阻式炮口冲击波测量 系统优点突出,测量精度高,便于推广使用。(本刊录) 2.会议论文 郭涛.石云波.张文栋 压阻式硅基传感器的温度补偿方法研究 2003 介绍了压阻式传感器的温度补偿原理及补偿方法,详细阐述了硅压阻式加速度传感器3028的补偿方法,给出了实验数据.该补偿方法使 用元器件少,补偿简单,具有很强的实用性. 3.学位论文 隋鸿鹏 不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能影响的研究 2008 论文介绍了MEMS技术的发展以及应用领域。并进一步介绍了压阻式传感器的发展。 介绍了硅压阻效应的原理,加速度计的工作原理和压阻式传感器的工作方式以及信号输出测试方法。利用ansys软件对压阻式加速度 计的结构进行模态分析和应力分析,确定了传感器的结构和工艺流程。在结构设计上采用了薄膜与悬臂梁同厚的形式以实现大过载的目 的。 在工艺上说明了传感器制作的工艺流程,对湿法腐蚀等工艺的原理和梁和质量块的形成进行了说明。实验中对硅-玻璃双面键合,积 累了经验。 为了研究不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能的影响,采用3种掺杂条件的衬底进行实验测试。在各步热过程后,对3种衬底条件下 压阻区、引出区和保护框的方块电阻进行了测量和分析,通过对各部分方块电阻的测量可以看出,对于压阻区(p-区),A#和B#的方块 电阻在开始注入扩散时相差很小,而由于注入杂质在高温下进一步扩散,衬底掺杂浓度对扩散后杂质分布的影响加大,方块电阻在后续 的热过程中差别增大;通过比较不同衬底条件下各个热过程后的压阻资料,发现在3种掺杂条件中20~40Ω·cm的衬底最符合预期压阻的 设计,且此结论已用于指导实际产品生产。完成了芯片的陶瓷封装,并进行了初步的测试。 4.期刊论文 樊尚春.彭春荣 硅压阻式传感器的温度特性及其补偿 -微纳电子技术2003,40(7) 基于硅压阻式传感器的工艺过程与后续电路设计,讨论了减小其温度影响的措施.文中对在相同的硅基底上,采用诸如扩散、离子注入 、薄膜淀积以及溅射等不同加工工艺制作实现的不同的压敏电阻特性,特别是温度特性进行了探讨和比较.针对一种具体的硅杯结构的压 阻式传感器,设计、选择了加工工艺,给出了压敏电阻的近似温度补偿公式,讨论了传感器补偿电路的实现方案. 5.会议论文 樊尚春.彭春荣 硅压阻式传感器的温度特性及其补偿 2003 基于硅压阻式传感器的工艺过程与后续电路设计,讨论了减小其温度影响的措施.文中对在相同的硅基底上,采用诸如扩散、离子注入 、薄膜淀积以及溅射等不同加工工艺制作实现的不同的压敏电阻特性,特别是温度特性进行了探讨和比较.针对一种具体的硅杯结构的压 阻式传感器,设计、选择了加工工艺,给出了压敏电阻的近似温度补偿公式,讨论了传感器补偿电路的实现方案. 6.学位论文 王颖 压阻薄膜传感器的制备及性能研究 2007 经过多年来的研究表明,尽管锰铜合金的压阻系数不是很高,但由于它具有灵敏度高、响应快、线性较好、电阻温度系数小等特点 ,非常适合于制作超高压力传感器。其有效量程为1~50GPa,是目前测压上限最高的压力传感器,广泛应用于研究材料中弹塑性波的传播 特性、澳门赌场动态断裂、层裂、相变、炸药爆轰等方面。 本论文的第一部分主要对锰铜薄膜压力传感器进行了总体工艺设计。设计包括锰铜薄膜压阻传感器的膜系与结构、制备方法以及工 艺参数的设计。为了锰铜传感器的微型化,采用射频磁控溅射法制备适合出了高压力测量的锰铜压力传感薄膜,基片采用不锈钢,膜层 采用三明治结构,即氧化铝。锰铜.氧化铝的结构。 论文的第二部分为实验的检测和校核部分,用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了样片薄膜的结构和形貌,用静态加载方法实验标 定了锰铜薄膜的压阻系数。做出传感器的电阻变化——压力关系曲线。再采用最小二乘法对实验曲线进行多项式拟合,得出压阻系数的 值。研究结果表明,晶粒尺寸决定了薄膜的压阻系数,经360℃热处理1h后,薄膜晶粒长大,压阻系数有着明显提高(K值达到0.02 GPa-1),性能达到锰铜箔的水平。 7.期刊论文 滕林.杨邦朝.杜晓松.周鸿仁.崔红玲.肖庆国 镱薄膜传感器压阻灵敏度的研究 -高压物理 学报2004,18(1) 采用真空蒸发工艺制备镱薄膜传感器,在小于1 GPa压力范围内对未经任何处理和300 ℃线 h两组镱薄膜传感器进行准静态 加载标定,后者的压阻系数明显高于前者,并且大于箔式镱传感器的压阻系数,结合扫描电镜和电学性能测试分析,发现热处理有助于薄膜 晶粒长大,降低薄膜电阻率,从而提高了镱薄膜传感器的压阻灵敏度.XRD测试分析结果表明,加压有促使薄膜晶粒长大的趋势.镱薄膜传感 器制作工艺简单、性能稳定,在工业中具有广泛的用途. 8.期刊论文 陈颜军.CHEN Yan-jun 半导体压阻式传感器的应用 -煤炭工程2005,(4) 传感器在生产和生活的各个方面应用广泛,而半导体压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角.在煤矿安全生产中,更需 要传感器全面监测各种参数.如:瓦斯监测、一氧化碳监测、二氧化碳监测、矿井压力监测、采煤机工作情况、皮带运输机的运转情况等. 9.期刊论文 魏金莲 现代测试技术领域的主角--半导体压阻式传感器 -内蒙古科技与经济2002,(6) 传感器在生产和生活各个方面应用广泛,而半导体压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角. 10.学位论文 赵桂林 基于压阻检测的MEMS磁场传感器的研究 2009 随着微电子机械系统技术的不断进步,使得便携式磁场传感器成为可能。在国外,很多人进行了MEMS磁场传感器的研究,但在国内 ,这类磁场传感器的研究仍然处于起步阶段。 目前在微机电系统设计中,根据传感器结构和外围电路集成方式,可分为两种:采用CMOSMEMS技术的结构和电路单片集成;电路和 传感器结构分开加工,最后组合。由于CMOS MEMS技术的高信噪比以及制备大阵列单元等方面的优越性,采用该技术设计微机电系统将会 越来越普遍。本文将采用与标准CMOS工艺兼容的MEMS技术开展基于压阻检测的谐振式磁微传感器的研究。 根据传感器结构加工工艺与CMOS工艺的顺序,有三种工艺可供选择,本文采用了对CMOS工艺要求相对较低的后CMOS(post-CMOS)工 艺。后处理工艺分别进行了背面腐蚀和正面腐蚀两种方法。在前期的工作中,主要采用基于SOI硅片和背面腐蚀的后处理工艺,设计并测 试了U型、E型、翘翘板型、板型和罗盘式等结构。利用在结构表面淀积的通电导线在磁场中受到罗伦兹力这一原理来检测磁场的大小。 通过采用谐振的方式,使得微小罗伦兹力的效果放大。通过合理设计压阻,检测传感器谐振时发生的形变。 后期的工作中,在对背面腐蚀的磁微传感器进行测试的基础上,整理了实验结论,分析了空气阻尼的影响。采用标准CMOS工艺制作 ,然后正面腐蚀后处理释放传感器结构。 在理论分析中介绍了谐振结构的理论基础和微传感器结构的检测原理。ANSYS有限元软件模拟仿真,分析传感器的谐振频率以及其频 率响应,对设计尺寸进行优化。利用CONVENT软件分析形变和压阻阻值的关系,完善对压阻尺寸和设计。利用L-edit软件进行版图设计 ,在设计中考虑了实际工艺中各个版图先后的对准和误差,给足了余量。 引证文献(6条) 1.王深.赵秋生.李冠.谭新宇.尹军刚 基于嵌入式微处理器的尿道内压信号采集系统设计[期刊论文]-中 国组织工程研究与临床康复 2008(48) 2.李铁莲.廉自生 液压支架中压力传感器的设计[期刊论文]-煤矿机械 2007(4) 3.刘新月.吕增良.孙以材 压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计[期刊论文]-传感技术学报 2007(3) 4.刘新月.吕增良.孙以材.林波 一种智能压力传感器无线数据采集系统的设计[期刊论文]-传感器世界 2006(11) 5.李青 基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装研究[学位论文]硕士 2006 6.孙恒 微波冷冻干燥中的热电耦合和控制策略优化[学位论文]博士 2005 本文链接:授权使用:赤峰学院(cfxy),授权号:c72ede7e-4b2c-4618-89d5-9e3d00ce865a 下载时间:2010年11月29日

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