压阻式电子称传感器的设计【摘要】：电阻应变式传感器是基于导体或半导体的应变电阻效应，将测量物体形变转化成电阻变化的传感器。

通常由两部分组成，即弹性敏感元件和应变计（丝）。

弹性敏感元件在被测物理量的作用下，产生一个与被测量成确定函数关系的应变，再用应变计（丝）作为转换元件将应变转换为电阻变化，从而产生感应电压，再通过测量电路转化为信号形式输出【关键字】：应变片直流电桥温度补偿差动放大零点漂移一．半导体的压阻效应固体收到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。

半导体材料的压阻效应特别强，即半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生的变化较大。

1．半导体压阻效应原理半导体应变片是用半导体材料制成的一种纯电阻性元件，其工作原理基于半导体材料的压阻效应。

半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为（1）式中，为半导体应变片的电阻率的相对变化量。

其值与半导体敏感元件在轴向受的应变力关系为（2）式中，为半导体的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E 为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。

将试（2）代入式（1）中，得（3）实验证明，对半导体材料，比大上百倍，所以（）可以忽略，因此（4）2．半导体应变片的灵敏度系数半导体材料的电阻值变化主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的。

所以，半导体应变片的灵敏度系数为（5）半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝高50～80倍，尺寸小,横向效应小，动态响应好。

但它的温度系数大、应变时非线性现象比较严重等缺点。

二．传感器各元器件的选择电阻应变称重传感器选用等强度梁做弹性元件，使贴片位置不受限制，结构也简单；了提高系统灵敏度，选用膜片式半导体应变片做转换元件；测量电路为恒流源供电电桥，温度补偿电路。

1．应变片的选择按照结构划分，压阻式传感器主演由三种不同类型，即体型半导体、薄膜型半导体和扩散性半导体。

1）体型半导体应变片体型半导体应变片是一种将半导体材料硅或锗晶体按照一定法相切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图2）薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片是利用真空沉淀技术，将半导体材料沉淀在带有绝缘层的试件上而制成，其结构如图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，形成四个阻值相等的电阻条，再通过超声波和热压焊法接上引线就形成了扩散型半导体应变片。

这是一种应用很广的半导体应变片。

结构如图，为接近固定边条件，硅膜片的边缘较厚，呈杯形，也称为硅杯。

在膜片上的四个扩散电阻接成电桥。

硅杯的内腔与被侧压力p相连，杯外与大气相通。

若杯外与另一压力源相接，则可测压值。

2．弹性敏感元件弹性敏感元件把各种形式的物理量转换成形变，其质量的优劣直接影响传感器的性能及精度，是传感器的工作基础。

1）通常要求弹性敏感元件具有以下性能：①弹性储能（应变能）高。

弹性储能是材料在开始塑性变形以前单位体积所储存的弹性能。

它表示弹性材料春村变形功而不发生变形的能力。

②具有较强的抗压（或抗拉）强度，以便在高载荷下有足够的安全性能。

③受温度影响小。

弹性模量温度系数小而稳定，热膨胀系数小。

④具有良好的机械加工和热处理性能，易于机械加工及热处理。

⑤具有良好的重复性和稳定性。

⑥热处理后应有均匀稳定的组织，且各项同性。

⑦具有高的抗氧化、抗腐蚀性能。

2）弹性敏感元件的材料主要是合金结构钢。

例如，析出硬化型不锈钢、钢塑工具钢、弹簧钢等。

3）通常弹性敏感元件的结构有柱（筒）式、悬臂梁式、轮辐式、环式、膜片式等。

这里选择悬臂梁式，精度更高。

结构如图（1）图13．压阻式传感器结构压阻式传感器是基于压阻效应原理进行工作的。

利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。

可在圆形硅膜上扩散出四个P型电，则构成惠斯登电桥的四个电桥。

如图（2）。

1-P-Si导电层；2-N-Si膜片；3-粘贴剂；4-硅底座；5-引线管；6-Si保护膜；7-引线图24．膜片式半导体应变片传感器的结构示意图如图（3），在硅膜片上的四个扩散电阻接成电桥。

硅杯的内腔与北侧压力P相连，杯外与大气压相通。

若杯外与另一压力源相接，则可测压值。

为了减少封装产生的应力对传感器性能的影响，硅中间体经由进气管与外壳相连，不直接连接表壳。

图3三、结构框图整个系统包含电阻应变称重传感器、信号放大及V/F转换单元、单片机、显示单元及供电电源，如图（4）图4传感器输出信号经放大后，进行V/F变换，以频率信号形式输出到单片机，经单片机运算处理，显示重量值。

信号进行V/F变换可以增加信号传输距离，并具有抗干扰能力。

同时，省掉了A/D环节，提高了系统精度，简化了与单片机的接口。

四、测量电路图因为半导体材料对温度很敏感，温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。

因此，压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。

压阻式传感器的测量电路仍然使用平衡电桥。

由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。

因此，必须采取与补偿误差措施。

1．等强度梁结构设计等强度梁的结构如图5，是一种特殊形式的悬臂梁。

其特点是：沿梁长度方向的面按照一定规律变化，当集中力F作用在梁端三角形顶点上时，距离作用点任何距离截面上的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片闻之要求不严。

梁的固定端宽度为b0, 自由端宽度为b,梁长尾L，梁厚为h.根据悬臂梁特性，当重力作用在自由端时，最大弯曲应力为(6) 则应变为(7) 式中 W——被称物体重力；h——梁厚度；b0——固定端宽度；L——梁长；E——弹性模量；根据式（）和强度理论，可以写出强度条件：（8）式中 []——梁材料的许用应力，可从材料手册差得。

由许用应力、称重范围及允许梁占用的空间几何尺寸，加以经验值，来选择制造梁的材料，确定梁长、厚度等结构参数。

2．测量电桥设计为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响，设计的称重电阻应变式传感器采用四臂差动式电桥测量电路。

距固定端较近的表面顺着梁的长度方向分别贴上R1、R4和R2、R3（R2、R3在底部）四个电阻应变计。

若R1、R4承受拉力，则R2、R3将受到压力，两者应变相等，但极性相反，如图6图5 图6设R1=R2=R3=R4=R，r1=r4=r,r2=r3=-r，则差动全桥输出电压公式为（8）因此，电桥输出电压与（应变片电阻变化）成严格线性关系，消除了电桥非线性的影响，也消除了温度误差的影响。

输出电压比单臂桥增大四倍，灵敏度也提高四倍。

3．半导体应变片参数选择半导体应变片常用硅鍺等材料做成单根状的敏感栅，其使用方法与金属应变片相同。

其电阻变化与应变之间的公式如下：（9）式中——纵向压阻系数；——弹性模量；——应变；设应变片灵敏系数，则（10）因此，电桥的输出电压为（11）按照该式及后续电路对输入信号幅值的要求，选择值合适的半导体应变片。

被测重力与电压转换公式的推导由式（7）和式（11）可得（12）（13）式（13）就是传感器输出电压与重力之间的对应函数关系。

一旦系统设计完成，灯饰右边前面部分就是一个常数，，两者为线性关系。

4．零点与灵敏度温度补偿由于温度变化，将引零点漂移。

零点漂移产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。

灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化为变化。

采用图6所示的零点漂移和灵敏度漂移补偿电路，可以有效地解决零点漂移和灵敏度漂移问题。

图中，串联电阻、用于抑制零位温漂，起调零作用，并联电阻RP 起补偿作用。

串联二极管VD，用于灵敏度的温漂补偿。

四、总体电路设计1．供电电源设计称重传感器的电源是由三端稳压块MC7815、MC7915 组成的15V 电源。

由2个OP—07和互补对管D536与C608组成称重传感器的第二级稳压电源，如图7所示。

这一级起到高精度稳压作用，其原理是：①15V的三端稳压集成电路作为预稳压电源。

②选用低温漂的运放OP—07，以降低运放受温度影响所产生的温漂。

③从图7可见两个运放的输入端均接入精密电压基准源MC1403的输出端上而被钳位，可以认为输出电压的误差不会来自输入端。

④D536与C608一对互补对管，的负反馈电路分别通过这对互补管的发射极。

当温度上升时，的输出电压上升，D536的上升，上升。

但是的输出电压也随之上升，导致C608的电压下降，增大，使下降，维持了动态平衡；反之亦然。

⑤由于正负三端稳压电源的作用，以及由、和、组成的对称电源结构，称重传感器电桥再无负载时，，。

并且由于高阻抗使电桥产生浮地效果，完全免除地线带来的干扰。

经上述处理使传感器电桥电压达到十分稳定的效果，如果电桥的四壁应变片的阻值相等，由于受到压力使电桥的对臂阻值同时增大和减小，则电桥电压的精度将直接传递到电桥输出端。

2．调零电路图7中标ABCD部分是称重传感器全桥电路。

电桥输出端对角线上接一个10电位器，滑动端通过100电阻接于电桥电源负端。

这是为了克服制造工艺不完全对称性而设计的。

同时兼做去皮重电路。

调节可使电位差等于10 V，的输出范围为015V。

3．放放大电路放大电路是由4个ICL7650组成差分输入单端输出的专用仪表放大电路。

放大电路主要特点是：①采用ICL7650斩波自稳零高精度放大器，能比较好地抑制共模电压干扰。

②双端输入分别进入测量放大器的同相端，所以输入阻抗大，能够克服电桥传感器输出阻抗低的特点。

③极低的温漂系数。

④加一级低通有源滤波器以滤除由于放大器ICL7650内时钟斩波频率引起的尖峰脉冲干扰。

图7调整使放大倍数为（14）4．V/F转换电路在图7中V/F转换电路是一块QD4703厚摸电路，输入电压为05V，输出频率为050kHz，非线性误差为0.02%。

称重传感器V/F转换电路可方便地与微机接口，简化单片机电路，只占用单片机的一位口。

来自放大器的输出信号经过一级低通滤波器滤除放大器的尖峰脉冲，再进行V/F转换，V/F对输入信号是一个积分的过程，同时也对窜入V/F输入端的干扰信号进行积分，因而对干扰信号起平滑作用。

在V/F转换器的输出端输出05V 标准矩形波频率信号，再传输线上的干扰信号，会叠加在矩形波上，那么只能使矩形波发生形变，但不会百变矩形波的有效值，更不会改变输出频率，有利于远距离传送。

V/F转换的转换分辨率高，为5V/25kHz=0.2mV /Hz，而12位A/D的分辨率为5V/4 098=1.2mV 。

图7中为调零电位器，为调满量程电位器。

先使QD4703的脚2输入10mV 电压，调使脚7使出为f=100kHz，然后输入5V调使输出f=50kHz，一般反复调几次就可得到满意结果。

双触发器74HC76接成二分频电路，视具体情况而使用。