第2章电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的 变化,进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械 量和热工量的检测,它结构简单,性能稳定,成本低廉,因此,在许多行业得 到了广泛应用。 目前,常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电 阻和湿敏电阻等几大类
第2章 电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的 变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械 量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得 到了广泛应用。 目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电 阻和湿敏电阻等几大类
2.1电阻应变片 电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感 器,主要用于机械量的检测中,如力、压力等物理量的检测。 2.1.1电阻应变效应 2.1.1.1概念 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时,它的电阻值也相应地发生变化, 这一物理现象称为电阻应变效应 2.1.12电阻的应变灵敏系数 根据电阻的定义式:R=P A 当有变化量Δp、△1、△A时,其相对变化率为 △R△p,A△4 (2-1-1) R 对于直径为d的圆柱形截面电阻丝,因为A=nd2/4;故:
2.1 电阻应变片 电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感 器，主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测。 2.1.1 电阻应变效应 2.1.1.1 概念 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化， 这一物理现象称为电阻应变效应。 2.1.1.2 电阻的应变灵敏系数 根据电阻的定义式:R= ； 当有变化量∆ρ、∆l、∆A时，其相对变化率为： （2-1-1） 对于直径为d的圆柱形截面电阻丝，因为A=лd2/4；故： A l A A l l R R − + =
△A=A-A=n[(d-△d)2-d2]/4=2△d/d(略去高阶无穷小)。再引进力学中的泊松比 △A △RA Ap/p、△ 故A-2 最后得:R (1+24)+=(1+21 Ka 6:应变灵敏系数。其中:(1+2u)是由几何尺寸改变引起的,金属导体以此为主; plp 4//表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化,半导体材料以此为主 212电阻应变片的类型及常用材料 根据应变片的质地,主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类 212.1金属电阻应变片 此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。 1)丝式应变片 如图2.1.1a所示,它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成,基底可 分为纸基,胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线,使用时只要将应变片贴于 弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单,价格低,强度高,但允许通过的电 流较小,测量精度较低,适用于测量要求不很高的场合使用
∆A=A‘-A=л[（d-∆d）2-d 2]/4=2∆d/d (略去高阶无穷小）。再引进力学中的泊松比 ； 故 ；最后得： ； K0：应变灵敏系数。其中：（1+2µ）是由几何尺寸改变引起的，金属导体以此为主； 表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体材料以此为主。 = −2 0 ) / / (1 2 ) (1 2 K l l l l l l R R = = + + + + = l / l / 2.1.2 电阻应变片的类型及常用材料 根据应变片的质地，主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。 2.1.2.1 金属电阻应变片 此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。 1) 丝式应变片 如图2.1.1a所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可 分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于 弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电 流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用
2)箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间, 它的结构如图2.1.1b所示。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大,散热性好,允许通过 较大的电流。由于它的厚度薄,因此具有较好的可绕性,灵敏度系数较高。箔式应变片 还可以根据需要制成任意形状,适合批量生 3)金属薄膜应变片 它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法,在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜 以形成应变片。这种应变片有较髙的灵敏度系数,允许电流密度大,工作温度范围较广。 212.2半导体应变片 半导体应变片是利用半 导体材料的压阻效应而制成 的一种纯电阻性元件。 对一块半导体材料的某 轴向施加一定的载荷而产 生应力时,它的电阻率会发a)丝式 b)箔式 生变化,这种物理现象称为 半导体的压阻效应 图2.1.1金属电阻应变片结构 图2.1.2体型半导体应变片 半导体应变片有以下几种类型: 1)体型半导体应变片 这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条,经腐蚀压焊粘贴在基 片上而成的应变片,其结构如图2.1.2所示
2) 箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间， 它的结构如图2.1.1b所示。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过 较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片 还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。 3)金属薄膜应变片 它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜 以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。 a) 丝式 b) 箔式 图2.1.1 金属电阻应变片结构 1 1 2 2 3 3 图2.1.2 体型半导体应变片 2.1.2.2 半导体应变片 半导体应变片是利用半 导体材料的压阻效应而制成 的一种纯电阻性元件。 对一块半导体材料的某 一轴向施加一定的载荷而产 生应力时，它的电阻率会发 生变化，这种物理现象称为 半导体的压阻效应。 半导体应变片有以下几种类型： 1）体型半导体应变片 这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基 片上而成的应变片，其结构如图2.1.2所示
2)薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成,其结 构示意图见图21.3。 3)扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上,形成一层极薄的P型导电层,再通过超声波和热压 焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。图2.14为扩散型半导体应变片示意图。这是 种应用很广的半导体应变片。 图2.1.3薄膜型半导体应变片 图2.1.4扩散型半导体应变片 1-锗膜2绝缘层 1-N型硅2-P型硅扩散层 3-金属箔基底4-引线 3一二氧化硅绝缘层4-铝电极5—引线
2）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结 构示意图见图2.1.3。 3）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压 焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。图2.1.4为扩散型半导体应变片示意图。这是 一种应用很广的半导体应变片。 1 2 3 4 图2.1.3 薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层 3–金属箔基底 4--引线 2 1 3 4 5 图2.1.4 扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线