1、电子式压力式传感器的设计学号：姓名：聂聪指导老师：传感器技术及应用大作业I摘 要压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压电传感器。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限
2、大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 关键词：压力传感器技术及应用大作业II目 录摘 要 .I第 1 章 绪论 .11.1 背景 .11.2 应用实例 .1第 2 章 原理分析 .32.1 工作原理 .3第 3 章 实现过程 .53.1 电路图设计 .53.2 电路仿真 .6心得体会 .8传感器技术及应用大作业1第 1 章 绪论1.1 背景压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电
3、性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点” ）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。早在 1954 年美国 C.S.Smith 首先确认了半导体压电效应，1955 年C.Herring 指出：这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。日本从 1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域
4、及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。图 1 电子压力传感器模型1.2 设计目的图 2 是压力传感器在全自动洗衣机中的应用实例。如图所示，利用气室，将在不同水位情况下水压的变化，作为空气压力的变化检测出来，从而可以在设定的水位上自动停止向洗衣机注水。传感器技术及应用大作业2图 2 压力传感器在全自动洗衣机中的应用传感器技术及应用大作业3第 2 章 原理分析2.1 工作原理图 1 为 PS 压力传感器的截面结构图，图 2 为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电
5、阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。 如图 2（b）所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图 3 所示，受到拉伸的电阻 R2和 R4 的阻值增加；受到压缩的电阻 R1 和 R3 阻值减小。图 4 由于各压电电阻如图 4 那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压 V， 当压力为零时的 V 等于偏置电压 Voffset,在理想状态下我们希望传感器技术及应用大
6、作业4Voffset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时 R1、R2 电阻的变化部分记作R；相应 R3、R4 电阻的变化部分记作-R，于是 V=RI 。 这个 V 相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。传感器技术及应用大作业5第 3 章 实现过程3.1 电路图设计图 5 是 PS 压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。图 5 压力传感器设计电路由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放 IC1b 和 IC1C 来进行放大。图中 VR1 为偏置调整，VR2 为压力灵敏度调整，VR3 为没有加压时输出电压调整，C1 、C2 用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供一个稳定的电源。传感器技术及应用大作业63.2 电路仿真传感器技术及应用大作业7
