当前课程知识点：集成传感器 > 第二章 > 第2节 集成压阻压力传感器 > 2-2-3 集成压阻压力传感器的设计
下面我们来介绍一下
压阻式压力传感器
压阻式压力传感器的核心部件
是一个膜片也就是一个
厚度非常薄的一个半导体材料片
它非常容易在外加应力的作用下
发生形变
这个膜片在发生形变以后
在其表面会产生外加的应力
如果我们把一个电阻
制作在这样一个膜片上
那么这样一个膜片
在外加应力的作用下
就会使电阻的阻值
由于压阻的效应而产生变化
那么我们就可以通过
电阻阻值的变化
得到外加压力的信息
一般而言硅压阻式压力传感器
它的膜片有圆形
方形和矩形几种情况
而对于不同形状的膜片
在压力作用下
膜片上的应力分布是不一样的
因此对于压敏电阻
在膜片上的位置设计
也是不一样的
首先我们来看一下
圆型的膜片
当压力传感器
有一个圆形的膜片时
我们可以根据弹性力学
来计算这个膜片上
在压力的作用下
它的应力的一个分布
压力P在半径为a的圆形膜上
引起的径向应力σR
和切向应力σtg
分别由这两个式子来描述
左边这个图就是我们根据
这两个式子得到的
膜片上的应力
与半径之间的关系
我们可以看到在膜的边缘处
径向应力和切向应力
均为负值
而且其绝对值达到了最大
在这样一种情况下
假如这个膜片是在
100硅片上制作的
这样的话
我们就可以沿110晶向
放置4个电阻
可以在这张图上可以看得出来
它的相对位置
那么对于电阻R1和R3而言
它的长度方向的应力
等于这个膜片的径向应力
而其横向的应力
就是这个膜片的切向应力
由此我们对R1和R3的
电阻的变化
可以得到这样一个式子
同理对于R2和R4而言
它的纵向的应力
等于膜片的切向应力
而且横向的应力
等于膜片的径向应力
我们得到R2和R4的电阻的变化
为这样一个式子
由这两个式子对比
我们可以看到R1 R3
和R2 R4的电阻的变化
大小相等 方向相反
在电阻式压力传感器的
制造工艺中
非常常用的一类工艺
我们称之为
各向异性的湿法腐蚀工艺
利用这种工艺制作的膜片
一般为方形或者矩型
并且对于方形膜片而言
在外加压力的作用下
其应力的分布 计算
是非常复杂的
因此我们常用
有限元仿真的办法
来获得其应力的分布
这个图是我们获得的
有限元仿真的一个应力分布图
由仿真结果我们可以看到
在正方形膜边缘的中间
我们可以得到应力的最大值
而相邻两边应力的方向
是相反的
根据这样一个应力分布的特点
我们可以设计
压阻式压力传感器
电阻的分布方案
这个图就是我们常用的
一个方型膜片的
压阻式压力传感器
电阻的分布方案
同样我们可以设置4个检测电阻
分别为R1 R2 R3和R4
并把它们放置在
应力最大的膜片的边缘中间
这个时候检测电阻的变化值
等于二分之一π44
乘以σx减去σy
也就是说在外加压力的作用下
硅膜上电阻的相对变化
与应力差σx减去σy成正比
-第1节 什么是传感器
-第2节 什么是集成传感器
-第3节 集成传感器的应用
-第4节 硅材料与半导体物理简介
-第5节 半导体器件简介
-第1节 集成力传感器
-第2节 集成压阻压力传感器
-第3节 电容式力传感器
-第二章--习题
-第1节 温度传感器简介
-第2节 硅热敏电阻
-第3节 PN结温度传感器
-第4节 双极型晶体管温度传感器
-第5节 热电传感器
-第三章--习题
-第1节 湿度传感器简介
-第2节 湿度的定义与检测方法
-第3节 多种原理的集成湿度传感器-1
-第4节 多种原理的集成湿度传感器-2
-第四章--习题
-第1节 磁传感器简介
-第2节 霍尔效应
--5-2 霍尔效应
-第3节 霍尔传感器的设计
-第4节 霍尔传感器的示例
-第五章（上）--习题
-第5节 磁电阻传感器
-第6节 磁敏二极管
-第7节 磁敏三极管
-第五章（下）--习题
-第1节 光波与光传感器简介
-第2节 光电导效应与光敏电阻
-第3节 光敏二极管和三极管-1
-第六章（上）--习题
-第4节 光敏二极管和三极管-2
-第5节 光电池
--6-5 光电池
-第6节 图像传感器
-第六章（下）--习题
-第1节 气体传感器概述
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-第2节 气体传感器分类及性能指标
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-第3节 接触（催化）燃烧式气体传感器
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-第4节 电阻式金属氧化物半导体传感器
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-第5节 电化学式气体传感器
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-第6节 MOSFET型气体传感器
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-第7节 集成气体传感器实例和未来
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-第七章（下）--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
-第一部分 引言与智能传感器
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-第二部分 无线传感网络、总结与展望
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-第八章--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
