低温下压阻式压力传感器性能的实验研究.doc

1 低温下压阻式压力传感器性能的实验研究 Experimental Study On Performance Of Pressure Transducer At Low Temperature 摘要: 通过实验对压力传感器的温度效应进行了研究。结果表明, 当温度在低温范围内变化时, 压力传感器的零点输出有较大的变化, 但输出特性仍保持良好的线性; 灵敏系数随温度的升高而减小。关键词:低温压力传感器零点输出输出特性灵敏系数 2 ABSTRACT: The performance of pressure transducers was conducted experimentally at low temperature. The results shows that the zero-output of pressure transducers will decrease with the decreasing of temperature while the output performance remains good linearity, and the sensitivity of transducers will decrease with the increasing of temperature. KEYWORDS:Low temperature, Pressure transducer, Zero-output, Output curve. 1 前言测量历来是科学推理客观性的保证。压力测量是整个计量测试技术的一个组成部分,在工业生产和科学实践中起着重要的作用。压力测量对合理地使用原材料, 改进工艺流程, 提高产品质量, 都是必不可少的环节。在工业生产的自动化过程中,压力是检测的一个重要参数。 3 50 年代,美国的一些实验室着手研究半导体的压阻效应, 并且证实, 半导体的压阻效应比导体大得多, 其灵敏系数比金属应变片高 50 倍以上。六十年代以来又发展到直接利用硅做传感器的敏感元件, 并在其适当部位渗入一定的杂质而构成应力敏感元件,即固态传感器技术。扩散型半导体应变片, 一般是在高电阻率( 即经掺杂) 的N 型硅片上扩散一层 P 型杂质,从而形成 P-N 结阻挡层。用这样方法可以在一个基底材料上用扩散工艺做出电路的四个臂组成一个全电桥。一个半导体应变片, 长为 L, 截面积为 A, 电阻率为ρ, 则其电阻 R 应为: 在轴向外力作用下产生的变形为 dL/L ,此时电阻相对变化为: 面积的相对变化可以近似为: 所以: 其中ε为电阻的纵向改变,。可见, 电阻值的变化是电阻长度、截面的集合应变效应和材料电阻率变化的压阻效应的综合结果。因而应变片的灵敏系数 K 为: 4 也即: K= ( 1+2 υ)+π 1E (6) 其中:π 1-- 纵向压阻系数; E-- 杨氏弹性模量;υ-- 泊松比。可见, K 与半导体材料、掺杂浓度、扩散层厚度、应力相对于晶轴的取向都有关, 例如, 掺杂浓度愈低, 则压阻灵敏系数愈高, 但是温度影响也愈大。灵敏系数数不仅取决于尺寸变化引起的电阻变化( 1+2 υ) ,还取决于电阻率随应变变化引起的电阻变化( π 1E ) ,而且π 1E 是最重要的项。影响半导体应变计的基本误差有两个: 即电阻温度系数和灵敏度温度系数。