扩散硅压阻式压力传感器的压力测量讲解

传感器课程设计报告

题目：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量

专业班级：BG1003

姓名：桑海波

时间：2013.06.17~2013.06.21

指导教师：胥飞

2013年6月21日

摘要

本文介绍一种以AT89S52单片机为核心，包括ADC0809类型转换器的扩散硅压阻式压力传感器的差压测量系统。简要介绍了扩散硅压阻式压力传感器电路的工作原理以及A/D变换电路的工作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传感器相比，扩散硅压阻式电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于扩散硅压阻式压力传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。

关键字：扩散硅压阻式压力传感器，AT89S52单片机，ADC0809，数码管

目录

1.引言 (1)

1.1课题开发的背景和现状 (1)

1.2课题开发的目的和意义 (1)

2.设计方案 (2)

2.1设计要求 (2)

2.2设计思路 (2)

3.硬件设计 (3)

3.1电路总框图 (3)

3.2传感器电路模块 (3)

3.3A/D变换电路模块 (4)

3.4八段数码管显示 (8)

3.5AT89S52单片机 (9)

3.6硬件实物 (12)

4.实验数据采集及仿真 (13)

4.1数据采集及显示 (13)

4.2实验数据分析 (13)

5.程序设计 (16)

5.1编程软件调试 (16)

5.2软件流程图 (17)

5.3程序段 (18)

6.结果分析 (19)

7.参考文献 (20)

1.引言

1.1 课题开发的背景和现状

传感器是一种能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信号的的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。

近年来，随着国家资金投入大的增加，我国压阻式传感器有了较快的发展，某些传感器如矩形双岛膜结构的6KPa微压传感器的性能甚至优于国外，其非线性滞后、重复性均小于5×10-4FS，分辨率优于20Pa，具有较高的过压保护范围以及可靠性。但是就总体而言，我国压阻式传感器的研究，在产量和批量封装等方面还存在不足，精度、可靠性、重复性尚待提高，离市场需求级国际水平还有较大差距。

1.2 课题开发的目的和意义

日常生活和生产中，我们常常想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参数，压力传感器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻式传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。

2.设计方案

2.1设计要求

1．了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理；

2．掌握扩散硅压阻式压力传感器调理电路和AD转换；

3．了解非线性特性和其校正方式；

4．使用单片机读取转换值并显示。

2.2设计思路

利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量的变化改为压力的变化，即可以测出一定范围内的压力值。其中测量电路中最主要的元器件就是扩散硅压阻式压力传感器。本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而运算放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的进行各种转换处理的要求。ADC0809 的A/D转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，由六位八段数码管显示出测量结果。

3.硬件设计

3.1电路总框图

该扩散硅压阻式压力传感器实验，采用筒式压力传感器，输出信号通过AD 转换器实现模拟到数字的转换，再经过89C51芯片，在LED数码管显示所要的结果。总的电路构建框图如下。

图3.1基于MCS-51单片机为核心压力传感器实验构建框图

3. 2传感器电路模块

扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，输出电压的变化即反映了其所受到的压力变化。

图3.2扩散硅压阻式压力传感器

扩散硅压力传感器工作原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

扩散硅压力传感器内部结构简图如下：

1-低压腔2-高压腔3-硅杯4-引线5-硅膜片

图3.3结构简图

3. 3 A/D变换电路模块

ADC芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别、，较为常见的ADC

主要有逐次逼近型、双积分型和电压—频率变换型三种。

这里我们选用逐次逼近型，即ADC0809。它由±5V电源供电，片内带有锁存

功能的8路模拟多路开关，片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗

斩波器、稳定的比较器，256Ω电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存

器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。通过适当的

外接电路，ADC0809可对0V～5V的双极性模拟信号进行转换。ADC0809是28脚双

列直插式封装，引脚图如图3-3 所示。各引脚功能说明如下：

2-1～2-8：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。

IN0—IN7:8路模拟量输入引脚。

V：+5V工作电压。

CC

GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

REF（—）：参考电压负端。

START：A/D转换启动信号输入端。

ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两个信号用于启动A/D转换。

EOC：转换结束信号输出引脚。开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。

OE：输出允许控制端。用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：时钟信号输入端。

ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线。经译码后可选通IN0—IN7 8个通道的一个通道进行转换。

图3.4 ADC0809引脚图

ADC0809的内部逻辑结构图如下图所示：

图3.5 ADC0809的内部逻辑结构图

图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法地址锁存与译码电路完成对ABC 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放输出，因此可以直接与系统数据总线相连，传感器桥路输出的电压经过比例变换后转换成二进制码的形式送入P0口。其程序框图如下：

图3.6A/D转换电路程序框图

3. 4 八段数码管显示

图3.7显示电路图

经过单片机P0输出的八位二进制码，变换成BCD码，在数码管上显示。经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的压力值。程序框图如下：

3. 5 AT89S52单片机

本实验采用AT89S52单片机，其管脚图如下：

图3.9 AT89S52管脚图

其管脚功能如下：

VCC：AT89S52电源正端输入，接+5V。

VSS：电源地端。

XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp："EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输

入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O 端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：RXD，串行通信输入。

P3.1：TXD，串行通信输出。

P3.2：INT0，外部中断0输入。

P3.3：INT1，外部中断1输入。

P3.4：T0，计时计数器0输入。

P3.5：T1，计时计数器1输入。

P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。

P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3. 6硬件实物

图3.10

图3.10是整个系统的测量部分，在此模块中有传感器和压力计组成，传感器有四个端口，分别是电源端和输出电压端VO+和VO-端。

图3.11

图3-11所示是整个系统的信号处理部分，将传感器送来的信号进行处理，利用差动放大器，把信号进行放大处理，之后信号进行调零处理，之后输出。

4.实验数据采集及仿真

4.1数据采集及显示

数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外完成A/D的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化。系数转换在IN0输入的数最大为5V，要求压力80N对应的是5V，为十六进制向十进制转换方便，将系数进行一定倍数的变换，并用小数点位置的变化体现这一过程。数制之间的转换：在二进制数制中，每向左移一位表示数增加两倍。要求压力80N对应的是5V，而压力与电压的变换是线性关系，对应AD转换器的输出为八个1，当有一定的压力值输入时，对应这个关系转化成相应的二进制代码送入P0口。然后再反过来应用这个变化关系，经最终得到的数值进行二进制到BCD码转化，然后逐位在LED数码管上显示。

数据采集用A/D0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的0～5模拟信号转换成对应的数字量00H —FFH，然后再存入存储器的指定单元中。在控制方面有所区别。可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式。

显示子程序是字符显示，首先调用事先编好数码管显示子程序。初始化命令，然后输出显示命令。在显示过程中一定要调用延时子程序。当输入通道采集了一个新的过程参数，当有压力信号输入时，调用显示子程序在数码管上显示。

4.2实验数据分析

4.2.1数据统计

把2号模块VS端连接+5V电压。V0+、V0-输出连到14号模块仪器输入端的VIN+、VIN-，接通电源。

b、将2号模块的P1、P2加压旋钮旋出，使压力表均指示为O。

c、放大器输出VO2和GND分别接到实验台直流电压表表的IN、COM孔。将电压表量程选择开关拨到20V档，调节W5、W6使数显表显示为零（若调不到零请旋W3、W4改变放大倍数）。

d、旋P1旋钮加压，记下输出电压值，反之旋出P1使压力表为0，旋P2旋钮加压，记下输出电压值。

e、将实验测得数据填入表4.2.1（实际压力上限根据压力模块）。并有matlab 仿真得到的图如4.1

表4.1 压力传感器输出电压与输入压力值

4.2.2数据matlab仿真分析

图4.1 压力传感器电压和压力的关系

从而扩散硅压阻式压力传感器电压和压力的关系式如下：

U=0.2297K+0.3122

附：matlab仿真时的操作

x=[0 2 4 6 8 10 12 14 16];

y=[0 1.5 1.85 2.6 3.4 3.7 4.2 4.8 5];

xmean=mean(x);ymean=mean(y);

sumx2=(x-xmean)*(x-xmean)';

sumxy=(y-ymean)*(x-xmean)';

a=sumxy/sumx2; %解出直线斜率a

b=ymean-a*xmean;%解出直线截距b

m=((a*(x(1,9))+b-(y(1,9)))/(y(1,9)));%“9”是自变量的个数，z为非线性误差(即线性度)

figure %用红色绘制拟合出的直线

px=linspace(0,16,150);%(linspace语法(从横坐标负轴起点0画到横坐标正轴终点16，150等分精度))

py=a*px+b;

plot(px,py,'r');

hold on

plot(x,y,'b*')

%hold on

%plot(x,y,'k-')

title('扩散硅压阻式压力传感器数据分析') xlabel('压力（Kpa）');

ylabel('电压（V）');

a

b

a =

0.2297

b =

0.3122

5.程序设计

5.1编程软件调试

打开软件后：

（1）建立一个新工程单击Project菜单，在弹出的下拉菜单中选中New Project选项。

（2）然后选择你要保存的路径,输入工程文件的名字,比如保存到C51目录里,工程文件的名字为C51 。

（3）这时会弹出一个对话框,要求你选择单片机的型号,你可以根据你使用的单片机来选择,keil c51几乎支持所有的51核的单片机,一般选用Atmel 的89C51。选择89C51之后,右边栏是对这个单片机的基本的说明,然后点击确定.

（4）单击“File”菜单，再在下拉菜单中单击“New”选项单击菜单上的“File”，在下拉菜单中选中“Save As”选项单击，在“文件名”栏右侧的编辑框中，键入欲使用的文件名，同时，必须键入正确的扩展名。注意，如果用Ｃ语言编写程序，则扩展名为(.c)；如果用汇编语言编写程序，则扩展名必须为(.asm)。然后，单击“保存”按钮

（5）回到编辑界面后，单击“Target 1”前面的“＋”号，然后在“Source Group 1”上单击右键，然后单击“Add File to Group ‘Source Group 1’”，选中Test.c，然后单击“Add?”

（6）开始编程

（7）单击“Project”菜单，再在下拉菜单中单击“Built Target”选项（或者使用快捷键F7），编译成功后，再单击“Project”菜单，在下拉菜单中单击“Start/Stop Debug Session”

（8）调试程序:单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Go”选项，（或者使用快捷键F5），然后再单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Stop Running”选项（或者使用快捷键Esc）；再单击“View”菜单，再在下拉菜单中单击“Serial Windows #1”选项，就可以看到程序运行后的结果，（9）单击“Project”菜单，再在下拉菜单中单击“ ” 在下图中，单击“Output”中单击“Create HEX File” 选项，使程序编译后产生HEX代码，供下载器软件使用。把程序下载到AT89S52单片机中。

5.2软件流程图

图5.1 流程图

压阻式压力传感器

压阻式压力传感器 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可

扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验讲解

实验四扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器 压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+4V、±15V。 三、实验原理 在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，，形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。 四、实验内容与步骤 1.扩散硅压力传感器MP×10已安装在压力传感器模块上，将气室1、2的活塞退到20ml处，并按图4-1接好气路系统。其中P1端为正压力输入、P2端为负压力输入，P×10有4个引出脚，1脚接地、2脚为 Uo＋、3脚接+5V电源、4脚为Uo ﹣；当P1＞P2时，输出为正；当P1＜P2时，输出为负。 2.检查气路系统，分别推进气室1、2的两个活塞，对应的气压计有显示压力值并能保持不动。 3. 接入+4V、±15V直流稳压电源，模块输出端Uo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。

4. 调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。 5. 退回气室1、2的两个活塞，使两个气压计均指在“零”刻度处，将MP×10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。 6. 保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.095Mpa；填入表4-1。 P(KP Uo2(V 7. 保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，每隔 0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa；填入表4-2。 P(KP Uo2(V 8. 保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔 0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.0Mpa；填入表4-3。P(KP Uo2(V 9. 保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔 0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.0Mpa；填入表4-4

扩散硅压阻式压力传感器的压力测量讲解

传感器课程设计报告 题目：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量 专业班级：BG1003 姓名：桑海波 时间：2013.06.17~2013.06.21 指导教师：胥飞 2013年6月21日

摘要 本文介绍一种以AT89S52单片机为核心，包括ADC0809类型转换器的扩散硅压阻式压力传感器的差压测量系统。简要介绍了扩散硅压阻式压力传感器电路的工作原理以及A/D变换电路的工作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传感器相比，扩散硅压阻式电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于扩散硅压阻式压力传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。 关键字：扩散硅压阻式压力传感器，AT89S52单片机，ADC0809，数码管

目录 1.引言 (1) 1.1课题开发的背景和现状 (1) 1.2课题开发的目的和意义 (1) 2.设计方案 (2) 2.1设计要求 (2) 2.2设计思路 (2) 3.硬件设计 (3) 3.1电路总框图 (3) 3.2传感器电路模块 (3) 3.3A/D变换电路模块 (4) 3.4八段数码管显示 (8) 3.5AT89S52单片机 (9) 3.6硬件实物 (12) 4.实验数据采集及仿真 (13) 4.1数据采集及显示 (13) 4.2实验数据分析 (13) 5.程序设计 (16) 5.1编程软件调试 (16) 5.2软件流程图 (17) 5.3程序段 (18) 6.结果分析 (19) 7.参考文献 (20)

1.引言 1.1 课题开发的背景和现状 传感器是一种能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信号的的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。 近年来，随着国家资金投入大的增加，我国压阻式传感器有了较快的发展，某些传感器如矩形双岛膜结构的6KPa微压传感器的性能甚至优于国外，其非线性滞后、重复性均小于5×10-4FS，分辨率优于20Pa，具有较高的过压保护范围以及可靠性。但是就总体而言，我国压阻式传感器的研究，在产量和批量封装等方面还存在不足，精度、可靠性、重复性尚待提高，离市场需求级国际水平还有较大差距。 1.2 课题开发的目的和意义 日常生活和生产中，我们常常想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参数，压力传感器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻式传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。

压阻式压力传感器的压力测量实验

实验二压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 二、基本原理： 扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。 图一压阻式压力传感器压力测量实验 三、需用器件与单元： 主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。 四、实验步骤： 1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图二连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。压力传感器引线为4芯线： 1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源， 4端为Uo－，接线见图9-2。

2、实验模板上R W2用于调节放大器零位，R W1 调节放大器增益。按图9-2将实 验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔，将主机箱中的显示选 择开关拨到2V档，合上主机箱电源开关，R W1 旋到满度的1／3位置(即逆时针旋 到底再顺时针旋2圈)，仔细调节R W2 使主机箱电压表显示为零。 3、输入气压，压力上升到4Kpa左右时调节调节Rw2（低限调节），，使电压表显示为相应的0.4V左右。再仔细地反复调节旋钮使压力上升到19Kpa左右时调节差动放大器的增益电位器Rw1（高限调节），使电压表相应显示1.9V左右。 4、再使压力慢慢下降到4Kpa，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为相应的0.400V。再仔细地反复调节汽源使压力上升到19Kpa时调节差动放大器的增益电位器，使电压表相应显示1.900V。 5、重复步骤4过程，直到认为已足够精度时仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在4－19KPa之间变化，每上升3KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表1。 作业： 1、画出实验曲线，并计算本系统的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭所有电源。

实验三 扩散硅压阻式压力传感器实验

北京XXX大学 实验报告 课程（项目）名称：实验三扩散硅压阻式压力传 感器实验 学院：专业： 班级：学号： 姓名：成绩： 2013年12月10日

一、任务与目的 了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。 二、实验仪器（条件） 所需单元及部件：主、副电源、直流稳压电源、差动放大器、F/V显示表、压阻式传感器(差压)、压力计。 旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档，F/V表切换开关置于2V档，差放增益适中或最大，主、副电源关闭。 三、原理（条件） 扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片上用扩散工艺(或离子注入及溅射工艺)制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。 四、内容与步骤 （1）了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。（见附录三） (2) 如图３０A将传感器及电路连好，注意接线正确，否则易损坏元器件。 图３０A (3) 如图３０B接好传感器供压回路。 图３０B

(5) 将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松。 （6）开启主、副电源，调整差放零位旋钮，使电压表指示尽可能为零，记下此时电压表读数(7) 拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，电压表有压力指示时，记下此时的读数，并将数据填入表格中记录。 注：根据所得的结果计算系统灵敏度S= ΔV／ΔP，并作出V-P关系曲线，找出线性区域。 五、数据处理（现象分析） （1）拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，电压表的读数随压力的变化如下表： （2）根据所得的结果计算系统灵敏度S= ΔV／ΔP，并作出V-P关系曲线，找出线性区域。 六、结论 通过实验进一步了解了扩散硅压阻式压力传感器的工作原理，并且观察了实过程中的工作状况，通过对实验数据的整理计算，得出实验仪器的灵敏度为S=92.35 V/Kpa

(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点

四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。 1.2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。 箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 材料的电阻变化率由下式决定： d d d R A R A ρρ=+ （1） 式中； R —材料电阻

由材料力学知识得； [(12)(12)]dR R C K μμεε=++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得 R L K K R L ε??== (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器 测高压用的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低ρ—材料电阻率

实验二 扩散硅压阻式传感器模块 d1

实验二扩散硅压阻式压力传感器实验模块 2.1实验目的： 实验2.1.1：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 工作原理：是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 转换原理： 在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，，形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。 压阻效应: 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 实验2.1.2：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。 2.2实验设备和元件： 2.2.1 实验设备：实验台所属各分离单元和导线若干。 2.2.2 其他设备：2号扩散压阻式压力传感器实验模块，14号交直流，全桥，测量，差动放大实验模块，数显单元20V，直流稳压源+5V，+_12V电源。 2.3实验内容： 2.3.1扩散压阻式压力传感器 一般介绍： 单晶硅材料在受到外力作用产生极微小应变时（一般步于400微应变），其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变）。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯凳电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转

扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验

实验十一 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器 压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V 、±15V 。 三、实验原理 在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X 形硅压力传感器如下图所示：在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。 扩散硅压力传感器的工作原理：在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i ，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电流方向将会产生电场变化i E ??=ρ，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo 。 i d E d U O ???=?=ρ （11-1） 式中d 为元件两端距离。 实验接线图如图11-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V 电源、4脚为Uo -；当P1>P2时，输出为正；P1

硅压阻式微传感器的制造工艺研究

硅压阻式压力微传感器的设计与制 造工艺研究 指导老师：来五星 作者：张勇杰潘挺周晶张晶渝 魏佳易伟铭杨昆

硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺 研究 摘要：硅压阻式压力传感器是最早开始研究并实用化的微传感器之一，它结构简单、体积小、成本低、应用范围广，且已经实现大批量生产，在某些领域已经取代传统传感器。进一步研制小体积高精度的微传感器，扩大其适用范围是未来的趋势。本文首先叙述了压阻式压力微传感器的原理和设计方法，然后针对硅压阻式压力微传感器的制造，给出了两种不同的制造工艺流程，并接着对其优缺点进行了横向比较，以期优化该种传感器的工艺。 关键词：微传感器；压阻式；制造工艺；设计 一、引言 压力传感器是用来测量流体或气体压力，大规模生产的计量或传感单元。传统的压力传感器体积大、笨重、输出信号弱、灵敏度低。应用微电子技术，在单晶硅片的特定晶向上，制成应变电阻构成的惠施顿电桥，同时利用半导体材料的压阻效应和硅的弹性力学特性，用集成电路工艺和微机械加工技术研制固态压阻压力传感器，它们具有体积小、灵敏度高、动态特性好、耐腐蚀和灵敏度系数好等优点。 二、压阻式压力微传感器原理

图2-1 硅杯式压力传感器原理结构 由图2-1可知，当压力作用于微型硅膜片上时，硅膜片将发生弯曲和内应变（应力）。基于硅的压阻效应，当其内应变化时，必将引起相应的电阻变化。当压力P 按图示方向作用在膜片上，桥路上的压敏电阻R1和R3的值增加，R2和R4的值将下降。 若桥路由恒压压源V8供电时，其输出电压V0可用下式表示，即： 0p s V S pV ?=? （2-1） 或写成： 01 p s V S p V ?=? （2-2） 式中，p S 称为压力灵敏度。 式（2-2）表明，输出电压与被测压力成正比，测量0V ?，即 可得被测的对应压力p ?。因为电阻变化通常在0.01%~0.1%量级，故电桥输出电压很小，需要配置放大电路。

压阻式压力传感器

第二节压阻式传感器 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。 1.基本工作原理 根据式（2－3） 式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料， 项很大，半导体电阻率的变化为 (2－22) 式中为沿某晶向的压阻系数，σ为应力，为半导体材料的弹性模量。如半导体硅材料，, ，则 ，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数(1＋2μ)大很多。可近似认为。 半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。所谓晶向，就是晶面的法线方向。 晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。

1．截距法设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z， 如图2－29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t (2－23) 1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a b c〉，某数（如a）为负数则记作〈 b c〉。例如图2－30(a)，截距为－2、－ 2、4，截距倒数为－、－、，密勒指数为〈1〉。图2－30(b)截距为 1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为〈1 1 1〉。图2－30(c)中ABCD 面，截距分别为1、∞、∞，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为〈1 0 0〉。 2．法线法如图2－29所示，通过坐标原点O，作平面的法线OP，与x、y、z轴的夹角分别为α、β、γ。 (2－24)

压阻式压力传感器原理及其应用

压阻式压力传感器原理 及其应用 公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-

压阻式压力传感器 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

压阻式传感器

压阻式传感器 piezoresistancetypetransducer 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线（图1）。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。图1中硅膜片的一面是与被测压力连通的

高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。图2中是两种微型压力传感器的膜片，图中数字的单位为毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 发展状况1954年c.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响

压阻式传感器

压阻式传感器 压阻式传感器 piezoresistance type transducer 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装 于外壳之内，引出电极引线（图1）。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。图1 中硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。图2中是两种微型压力传感器的膜片，图中数字的单位为毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在 N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上

压阻式压力传感器原理及其应用

压阻式压力传感器原理及其应用

压阻式压力传感器 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之

内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及

压阻式压力传感器的应用领域

压阻式压力传感器的应用领域 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。 70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。这种新型传感器的优点是:频率响应高,适于动态测量;体积小，适于微型化；精度高，可达0.1～0.01％；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大、工艺较复杂和造价高等。 压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。 压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片N型定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。 在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

硅压阻式压力传感器的工作特性

论硅压阻式压力传感器的工作特性与应用 一、硅压阻式压力传感器的工作特性 ●采用刻蚀成型扩散硅膜片式结构 ●有绝压式的、差压式的 ●尺寸小，重量轻，圆柱状或片状外形 ●灵敏度高，频响宽，动态范围大 ●结构牢固，过载能力强 ●有专用于高温环境下测量压力的 ●有专用于汽车ABS 系统测量压力的 为获得预期的结果，压力传感器的用户应当对被测的压力，所处的环境，其它可选择的方案和预期的结果有一个全面的了解。他们应当知道所测压力的性质、幅值和持续时间，预期的环境温度，对输出的要求和压力传感器的精确度。在选择合适的仪器时必须进行折衷，因此必须将影响测量的诸多因素定量化，并区别轻重缓急。刻蚀成形的硅膜片 ●灵敏度 传感器输出的电信号与所受压力之比，称之为灵敏度。对于给定的压力，灵敏度越高，压力传感器输出的信号越大。为了减小噪声引入的误差，在选择压力传感器和系统时，力求使信噪比最大化。与粘贴应变片压力传感器相比，扩散硅应变片式压力传感器的灵敏度较高，噪声较低。Endevco 公司采用了刻蚀成型的硅膜片，并采用了横向应变片设计，从而使压力传感器的输出达到满量程300mV ，在10V 直流电压激励下，噪声只有5μV。 ●高频响应 压阻式压力传感器的膜片既可用来测量静态压力，也可测量动态压力。对动态压力测量，压力传感器所能响应的上限频率既与膜片的设计形式有关，也与其摆放的位置有关。由于质量很小，硅膜片的共振频率很高。硅膜片被置放在传感器的前端，从而减小了静空间，提高了共振频率。作为动态测量的准则，一般取传感器的共振频率为所欲测的最高频率的五倍。 在测量动态压力时，必须认真地考虑压力传感器所放的位置。在压力传感器距离测量点过远时，其响应将严重地限制着整个测量系统的响应。 对每个型号的压力传感器的膜片共振频率，恩德福克都做过大量的试验。满量程为1 psi 的膜片共振频率为60，000Hz ，而量程更高的可达6 10Hz 以上。 ●过压 在新的从未测量过的系统中和有短暂的压力尖峰的液压管路里，压力有时会高于预期的值。Endevco 的压力传感器不仅能耐受这种过压，而且能继续正常地工作。单晶硅是一种能耐受高过压的高强材料，由其做成的膜片具有这种特征。硅材料的强度比不锈钢能高20倍。 这种刻蚀成形的膜片，只有小部分的有效面积承受高应力的作用，因此它能耐受较高的压力。试验已充分地证明了这一点：满量程为2 psi 的压力传感器能耐受40 psi 的压力，也即20倍满量程的压力。G&P Technology 冠标科技有限公司

压阻式压力传感器测量压力特性实验

压阻式压力传感器测量压力特性实验 一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。 二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N 型电阻条）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。 压阻式压力传感器压力测量实验原理 三、需用器件与单元：主机箱中的气压表、气源接口、电压表、直流稳压电源±15V、±2V～±10V（步进可调）；压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。 四、实验步骤： 1、按示意图安装传感器、连接引压管和电路：将压力传感器安装在压力传感器实验模板的传感器支架上；引压胶管一端插入主机箱面板上的气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连；压力传感器引线为4芯线(专用引线)，压力传感器的 1端接地，2端为输出Vo＋，3端接电源＋4V，4端为输出Vo－。具体接线见下图。

压阻式压力传感器测压实验安装、接线示意图 2、将主机箱中电压表量程切换开关切到2V档；可调电源±2V～±10V调节到±4V档。实验模板上R W1用于调节放大器增益、R W2用于调零，将R W1调节到的1／3位置(即逆时针旋到底再顺时针旋3圈)。合上主机箱电源开关，仔细调节R W2使主机箱电压表显示为零。 3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。 4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。 5、仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在2kPa～18kPa之间变化（气压表显示值），每上升1kPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表8。 压阻式压力传感器测压实验数据 P(kPa) V o(p-p) 6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。 7、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法采用逼近法：输入4kPa气压，调节R w2（低限调节），使电压表显示0.3V(有意偏小)，当输入16kPa气压，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.3V(有意偏小)；再调气压为4kPa，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.35V(有意偏小)，调气压为16kPa，调节R w1（高限调节）使电压表显示1.4V(有意偏小)；这个过程反复调节直到逼近自己的要求(4kpa对应0.4V，16kpa对应 1.6V)即可。实验完毕，关闭电源。

硅压阻式压力传感器

硅压阻式压力传感器的相关介绍 硅压阻式压力传感器作为一种典型的传感器，目前已经得到了广泛的应用，小编通过搜罗资料，为大家介绍关于其结构及原理方面的内容，以供大家参考。 硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的。在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，如图3.1所示，作为力——电变换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源（恒流和恒压），便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。 硅压阻式压力传感器都由3个基本部分组成（图3.2）：①基体，直接承受被测应力； ②波纹膜片，将被测应力传递到芯片；③芯片，检测被测应力。芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将他们连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件。

膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体，所以是压力传感元件的核心部分。在硅膜片上的背面要用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯，在它的正面制作压阻全桥。如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。膜片还有方形、矩形等多种形式。当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。4个桥臂电阻在模板上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。 膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。图3.2所示的是一种充油封装结构，在传感器的波纹膜片及芯片之间填充了硅油，这种结构的压力传感器目前已相当成熟。量程为0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为0.5%～0.1%；能够实现表压、绝压测量。 硅压阻式压力传感器的另一种封装形式是将硅应变片用于玻璃粉直接烧结在金属膜片上，构成烧结型压力传感器。由于该传感器的结构特点，能够将弹性原件与被测介质直接接触，易于小型化，适于动态压力测量。该传感器量程从0～100kPa至0～80MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为0.5%～0.1%。固有频率从几千赫到几百赫，可用于气流模型试验、爆炸压力测试和发动机动态测量。 通过以上关于硅压阻式压力传感器的相关介绍，希望对大家工作、学习有所帮助。 中国传感器交易网提供：https://www.docsj.com/doc/422592659.html,