�(jié)�(gòu)如圖所��
其核心部分是一塊沿某晶�(如�1 0�)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(kuò)散上四�(gè)阻值相等的P型電�。用�(dǎo)線將其構(gòu)成平衡電�。膜片的四周用圓硅環(huán)(硅杯)固定,其下部是與被測(cè)系統(tǒng)相連的高壓�,上部一般可與大氣相�。在被測(cè)壓力P作用�,膜片產(chǎn)生應(yīng)力和�(yīng)變。膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力分布由式(2�20)和式(2�21)給�。當(dāng)�(shí),徑向應(yīng)力為零�。四�(gè)電阻沿�1 1 0〉晶向并分別在x=0.635r處的�(nèi)外排列,�0.635r之內(nèi)�(cè)的電阻承受的為正�,即拉應(yīng)力(見圖2�25(b)�,外�(cè)的電阻承受的是負(fù)值,即壓�(yīng)�。由于�1 1 0〉晶向的橫向?yàn)�? 0 1�,因此,,代入式�2�29)內(nèi)外電阻的相對(duì)變化為式� 、——內(nèi)、外電阻上所承受徑向�(yīng)力的平均�。設(shè)�(jì)�(shí),要正確地選擇電阻的徑向位置,使,因而使。使四�(gè)電阻接入差動(dòng)電橋,初始狀�(tài)平衡,受力P后,差動(dòng)電橋輸出與P相對(duì)�(yīng)。為了保證較好的�(cè)量線性度,要控制膜片邊緣處徑向應(yīng)�。而膜片厚度為h≥式� —�;膜片邊緣允許的徑向應(yīng)�?!鹤枋綁毫鞲衅饔捎趶椥栽c變換元件一體化,尺寸小,其固有頻率很高,可以測(cè)頻率范圍很寬的脈�(dòng)壓力。固有頻率可按下式計(jì)算式� ——硅片的密度(kg/m2) 壓阻式壓力傳感器廣泛用于流體壓力、差�、液位等的測(cè)�。特別是它的體積�,最小的傳感器可�0.8mm,在生物�(yī)�(xué)上可以測(cè)量血管內(nèi)�、顱�(nèi)壓等參數(shù)�
壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用航�、航空、航�、石油化�、動(dòng)力機(jī)�、生物醫(yī)�(xué)工程、氣象、地�(zhì)、地震測(cè)量等各�(gè)�(lǐng)�。在航天和航空工�(yè)中壓力是一�(gè)�(guān)鍵參�(shù),�(duì)靜態(tài)和動(dòng)�(tài)壓力,局部壓力和整�(gè)壓力�(chǎng)的測(cè)量都要求很高的精�。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例�,用于�(cè)量直升飛�(jī)�(jī)翼的氣流壓力分布,測(cè)試發(fā)�(dòng)�(jī)�(jìn)氣口的動(dòng)�(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�(fā)�(dòng)�(jī)中心壓力的測(cè)量中,使用專門�(shè)�(jì)的硅壓力傳感�,其工作溫度達(dá)500℃以�。在波音客機(jī)的大氣數(shù)�(jù)�(cè)量系�(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05%的配套硅壓力傳感�。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試�(yàn)�,壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞�(jìn)口處和發(fā)�(dòng)�(jī)�(jìn)氣管道模型中。單�(gè)傳感器直徑僅2.36毫米,固有頻率高�(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物�(yī)�(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢�(cè)工具。已制成�(kuò)散硅膜薄�10微米,外徑�0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測(cè)量心血�、顱�(nèi)、尿�、子宮和眼球�(nèi)壓力的傳感器。圖3是一種用于測(cè)量腦壓的傳感器的�(jié)�(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(cè)�、真空測(cè)量、監(jiān)�(cè)和控制汽車發(fā)�(dòng)�(jī)的性能以及諸如�(cè)量槍炮膛�(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的�(cè)�。此外,在油井壓力測(cè)�、隨鉆測(cè)向和�(cè)位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢�(cè)以及流量和液位測(cè)量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感�。隨著微電子技�(shù)和計(jì)算機(jī)的�(jìn)一步發(fā)�,壓阻式傳感器的�(yīng)用還將迅速發(fā)��
�(yīng)變與溫度交叉靈敏度計(jì)算公式的給出
壓阻式傳感器是在圓形硅膜片上�(kuò)散出四�(gè)電阻,這四�(gè)電阻接成惠斯登電�。假�(shè)四�(gè)�(kuò)散電阻的起始電阻都相等且為R,當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí),兩�(gè)電阻的阻值增�,增加量為ΔR,兩�(gè)電阻的阻值減�,減小量為ΔR;另外由于溫度影�,使每�(gè)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�(shù);E—電阻半�(dǎo)體材料的彈性模�;S=πL·E—傳感器的靈敏度�
根據(jù)四�(gè)電阻本身的溫度特�,設(shè)它們的溫度系數(shù)為�,則�
�(dāng)傳感器受�(yīng)�?chǔ)藕蜏囟萒的作�,則由泰勒公式在初始�(yīng)�?chǔ)?和環(huán)境溫度T0下將�(4)展開得:
靈敏度,�(dāng)不考慮溫度影響�(shí),該�(xiàng)為常�;SεT=USα,定義為�(yīng)變與溫度的交叉靈敏度�
第三�(xiàng)、第四項(xiàng)及以后各�(xiàng)為溫度變化項(xiàng),忽略掉ΔT的高階項(xiàng),溫度與傳感器的輸出呈線性關(guān)�,令ST=USεα,定義為傳感器的溫度靈敏度。忽略掉高階�(xiàng),式(6)又可寫為�
很顯然,考慮交叉靈敏度的非線性方�(7)與線性近似的方程(8)相比,求得的�(yīng)變和溫度與實(shí)際值較為接�;但�(dāng)被測(cè)量變化較小時(shí),由�(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�,使問題大大�(jiǎn)化,因此�(8)在實(shí)際應(yīng)用中仍具有重要意�,而參量變化較大時(shí),忽略交叉靈敏度�(duì)于求解精度影響較��
交叉靈敏度分�
由交叉靈敏度公式SεT=USα可知�
交叉靈敏度既與傳感器�(yīng)變片自身的壓阻系�(shù)、彈性模�、溫度系�(shù)有關(guān),又與電橋的供電電壓有關(guān),因此應(yīng)變和溫度同時(shí)作用于傳感器�(shí),傳感器的輸出不是應(yīng)變和溫度單獨(dú)作用�(shí)�(chǎn)生的輸出量的�(jiǎn)單迭�,還存在著熱力學(xué)和力�(xué)量的相互作用,這�(gè)作用反映為交叉靈敏度,其大小反映了這種相互作用的程��
�(shí)際上,交叉靈敏度反映了在不同�(yīng)變時(shí),溫度靈敏度不是一�(gè)常數(shù),而是隨著�(yīng)變的變化而變�,交叉靈敏度的大小描述了溫度靈敏度偏離常�(shù)的程�。實(shí)�(yàn)中通過在不同應(yīng)變下�(cè)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��
�(jì)算實(shí)�
以IC Sensors公司的S17-30A型傳感器為例,結(jié)合A/D�(zhuǎn)換器AD7731把模擬量�(zhuǎn)換成�(shù)字量�6�16�(jìn)制原�,再�16�(jìn)制的原碼送入AT89c52單片�(jī),由單片�(jī)送出原碼值。實(shí)�(yàn)中以�(biāo)�(zhǔn)壓力作為輸入,測(cè)取不同溫度條件下16�(jìn)制的原碼值,�(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)如表1所��
由表1中的�(shù)�(jù),利用方�(7)�(jìn)行計(jì)�。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�(jì)算結(jié)果與傳感器自身的技�(shù)指標(biāo)非常接近,而交叉靈敏度SεT的技�(shù)指標(biāo)只能通過上述方法或類似方法求��
�(jié)�
利用上述方法借助方程(8)求出Sε,ST,通過�(duì)比可�,忽略交叉靈敏度將會(huì)帶來很大的誤�,該方法同樣適用于其他半�(dǎo)體傳感器�
維庫電子�,電子知�(shí),一查百��
已收錄詞�154529�(gè)