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結構如圖所示。

其核心部分是一塊沿某晶向(如〈10〉)切割的N型的圓形硅膜片(見圖2-35(b))。在膜片上利用集成電路工藝方法擴散上四個阻值相等的P型電阻。用導線將其構成平衡電橋。膜片的四周用圓硅環(huán)(硅杯)固定,其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔,上部一般可與大氣相通。在被測壓力P作用下,膜片產生應力和應變。膜片上各點的應力分布由式(2-20)和式(2-21)給出。當時,徑向應力為零值。四個電阻沿〈110〉晶向并分別在x=0.635r處的內外排列,在0.635r之內側的電阻承受的為正值,即拉應力(見圖2-25(b)),外側的電阻承受的是負值,即壓應力。由于〈110〉晶向的橫向為〈001〉,因此,,代入式(2-29)內外電阻的相對變化為式中 、——內、外電阻上所承受徑向應力的平均值。設計時,要正確地選擇電阻的徑向位置,使,因而使。使四個電阻接入差動電橋,初始狀態(tài)平衡,受力P后,差動電橋輸出與P相對應。為了保證較好的測量線性度,要控制膜片邊緣處徑向應變。而膜片厚度為h≥式中 ——;膜片邊緣允許的最大徑向應變。 壓阻式壓力傳感器由于彈性元件與變換元件一體化,尺寸小,其固有頻率很高,可以測頻率范圍很寬的脈動壓力。固有頻率可按下式計算式中 ——硅片的密度(kg/m2) 壓阻式壓力傳感器廣泛用于流體壓力、差壓、液位等的測量。特別是它的體積小,最小的傳感器可為0.8mm,在生物醫(yī)學上可以測量血管內壓、顱內壓等參數(shù)。

壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布,測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中,使用專門設計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中,壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米,固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物醫(yī)學方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到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、尿道、子宮和眼球內壓力的傳感器。圖3是一種用于測量腦壓的傳感器的結構圖。壓阻式傳感器還有效地應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)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內壓力、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的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應用壓阻式傳感器。隨著微電子技術和計算機的進一步發(fā)展,壓阻式傳感器的應用還將迅速發(fā)展。

應變與溫度交叉靈敏度計算公式的給出

壓阻式傳感器是在圓形硅膜片上擴散出四個電阻,這四個電阻接成惠斯登電橋。假設四個擴散電阻的起始電阻都相等且為R,當有應力作用時,兩個電阻的阻值增加,增加量為ΔR,兩個電阻的阻值減小,減小量為ΔR;另外由于溫度影響,使每個電阻都有ΔRT的變化量。若電橋的供橋電壓為U,則它的輸出電壓為:

式中:πL-壓阻系數(shù);E-電阻半導體材料的彈性模量;S=πL·E-傳感器的靈敏度。

根據(jù)四個電阻本身的溫度特性,設它們的溫度系數(shù)為α,則:

當傳感器受應變ε和溫度T的作用,則由泰勒公式在初始應變ε0和環(huán)境溫度T0下將式(4)展開得:

靈敏度,當不考慮溫度影響時,該項為常值;SεT=USα,定義為應變與溫度的交叉靈敏度。

第三項、第四項及以后各項為溫度變化項,忽略掉ΔT的高階項,溫度與傳感器的輸出呈線性關系,令ST=USεα,定義為傳感器的溫度靈敏度。忽略掉高階項,式(6)又可寫為:

很顯然,考慮交叉靈敏度的非線性方程(7)與線性近似的方程(8)相比,求得的應變和溫度與實際值較為接近;但當被測量變化較小時,由式(8)可獲得足夠精確的解,且用線性方程近似求解可充分利用較為成熟的線性方程組的數(shù)值方法理淪,使問題大大簡化,因此式(8)在實際應用中仍具有重要意義,而參量變化較大時,忽略交叉靈敏度對于求解精度影響較大。

交叉靈敏度分析

由交叉靈敏度公式SεT=USα可知:

交叉靈敏度既與傳感器應變片自身的壓阻系數(shù)、彈性模量、溫度系數(shù)有關,又與電橋的供電電壓有關,因此應變和溫度同時作用于傳感器時,傳感器的輸出不是應變和溫度單獨作用時產生的輸出量的簡單迭加,還存在著熱力學和力學量的相互作用,這個作用反映為交叉靈敏度,其大小反映了這種相互作用的程度。

實際上,交叉靈敏度反映了在不同應變時,溫度靈敏度不是一個常數(shù),而是隨著應變的變化而變化,交叉靈敏度的大小描述了溫度靈敏度偏離常數(shù)的程度。實驗中通過在不同應變下測量溫度靈敏度,作出ST-ε曲線,該曲線的斜率便反映了交叉靈敏度的大小。

計算實例

以IC Sensors公司的S17-30A型傳感器為例,結合A/D轉換器AD7731把模擬量轉換成數(shù)字量-6位16進制原碼,再把16進制的原碼送入AT89c52單片機,由單片機送出原碼值。實驗中以標準壓力作為輸入,測取不同溫度條件下16進制的原碼值,實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù),利用方程(7)進行計算。首先在同一溫度不同壓力條件下,然后再在同一壓力不同溫度條件下借助MATLAB語言分別解矩陣得:

Sε,ST計算結果與傳感器自身的技術指標非常接近,而交叉靈敏度SεT的技術指標只能通過上述方法或類似方法求出。

結論

利用上述方法借助方程(8)求出Sε,ST,通過對比可知,忽略交叉靈敏度將會帶來很大的誤差,該方法同樣適用于其他半導體傳感器。