现代传感器技术(北航版)内容简介

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1、1、绪论传感技术地位发展趋势开发新型传感器高精度、高分辨率微型化微功耗、无源化智能化、多向融合高可靠性网络化2、集成式传感器概述：硅传感器出现，敏感结构和调理电路集成在同一芯片，实现传感器系统的SOC主要有硅压阻式和硅电容式硅压阻式集成压力传感器：结构图如下，敏感元件圆平膜片采用单清硅结构设计：圆平膜片半径R、厚度H、边界隔离部分H1、H2法向位移最大量计算公式WR，max=3Pmax⁡R416EH31-μ2最大位移与厚度比值WR，max=3Pmax⁡1-μ216E(RH)4表面应变最大绝对值εr,max=3Pmax⁡R24EH21-μ2表面盈利最大绝对值

2、σr,max=3Pmax⁡R24H2为保证良好输出特性，εr,max≤5×10-4【最大许用应变】，Ksσr,max≤σb，否则过大会使被测压力与位移、应变或应力呈现非线性特性。圆平膜片上压敏电阻位置设计圆平膜片表半径r，平膜片工作半径R，则r<0.609R,圆平膜片表面径向正压力为拉伸应力；r>0.609R,圆平膜片表面径向正压力为压缩应力压阻效应最好的方向是45135/225/315°，P型电阻条压阻效应为ΔRRr=-3pr21-μπ448H2;ΔRRθ=3pr21-μπ448H2电桥输出电路恒压源供电电桥：假设4个手感电阻初始值一样均为R，当被测压力

3、作用时两个敏感电阻增加，增量△R（p）；两个敏感电阻减小△R（p），电桥输出：Uout=∆R(p)UinR+∆R(t),不考虑温度则Uout=∆R(p)UinR恒流源供电电桥:两支路电阻相等，RABC=RADC=2[R+R(t)]温度漂移补偿:零位温度漂移【扩散电阻阻值随温度变换】——串联或并联电阻灵敏度漂移——改变电压硅压阻式集成加速度传感器利用单晶硅制作为悬臂梁，当悬臂梁自由端质量块受到加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，灿盛应力，使得压敏电阻发生变化。其根部正应力为6mLabh2，m围殴敏感块质量，bh为梁宽和厚度L为质量块中心至悬臂梁根部的距离，a为

4、被测加速度。沿悬臂梁长度，在110晶向设置P型硅压敏电阻压阻效应描述为：ΔRR110=πaσa+πnσn=πaσx，而纵向压阻系数πa=12π44；110晶向ΔRR110=-ΔRR110。结构参数设计：应变约束条件6mLEbh2amax≤εb【取5×10^-4】动态特性：固有频率f=0.162hL2Eρ硅电容式集成压力传感器核心部件是一对压力敏感电容器，两个极板一个在玻璃上为固定基板；另一个置于硅膜片表面为活动极板。硅膜片由腐蚀硅片的正面和反面形成，当硅膜片和玻璃键合在一起形成有一定间隙的空气或真空的电容器，当硅膜片受到压力作用变形时，电容器两极间距离发生

5、变化，导致电容变化。敏感特性：基于圆平膜片的电容敏感元件C=0R02πρεδ-ω（p,ρ）dρω=W1-ρ2R22;W=3p1-μ216E·R4H3基于矩形平膜片的电容敏感元件C=-B1B1A1A12πεδ-ω（P，x，y）dxdyω=Wx2A2-12y2B2-12;W=3p1-μ216E·R4H3开关-电容接口电路最适合硅电容式集成压力传感器的测量电路是新型的开关—电容电路，由差动积分器和循环运行的A/D转换器组成。电容-频率接口变换电路采用电容—频率C-F接口变换电容可将电容输出的电压变换为频率信号的输出。频率输出的硅电容集成压力传感器无需A/D交换，

6、只用简单的数字电路即可编程微处理机易于接受的数字信号。硅电容式集成加速度传感器零位平衡式电容式加速度传感器传感器芯片由玻璃-硅-玻璃结构著称，悬臂梁自由端设有敏感加速度的质量块，其上下两侧电极有金属电极，形成电容的活动极板，安装在两固定基板之间，组成一个差动电容。当有加速度（惯性力）施加在加速度传感器上，活动极板（质量块）将产生微小位移，引起电容变化，电容变化量△C由开关—电容电路检测并放大。两路脉宽调制信号UE和UE；由脉宽调节器产生，并分别加在两对电极上。通过这两路脉宽调制信号产生的静电力去改变活动极板位置，对任何加速度值，只要检测合成电容△C和控制脉

7、冲宽度，便能实现活动极板准确地保持在两固定电极之间的中间位置处。因静电力总是阻碍活动电极偏离零位，且与加速度正比，所以通过低通滤波器的脉宽信号UE，即为该加速度传感器输出的电压信号。基于组合梁的电容式加速度传感器——硅电容式单轴加速度传感器3轴加速度传感器——四个敏感质量块、四个独立信号读出电极和四个参考电极3、谐振式传感器利用被测量影响敏感结构自身固有震动特性的规律实现的传感器称为谐振式传感器。该类传感器自身为周期信号输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理容易接受的数字信号。谐振式传感器绝大多数是在闭环自激振动状态下工作的，结构如下：R为

8、谐振敏感元件，又称为谐振子，核心元件，工作时以自身固有频率振动模态