低溫下壓阻式壓力傳感器性能的實(shí)驗(yàn)研究

低溫下壓阻式壓力傳感器性能的實(shí)驗(yàn)研究
來源：中國(guó)論文下載中心 [ 05-12-26 09:56:00 ] 作者：佚名編輯：studa9ngns

Experimental Study On Performance Of Pressure Transducer At Low Temperature

摘要：
　　通過實(shí)驗(yàn)對(duì)壓力傳感器的溫度效應(yīng)進(jìn)行了 研究。結(jié)果表明，當(dāng)溫度在低溫范圍內(nèi)變化時(shí)，壓力傳感器的零點(diǎn)輸出有較大的變化，但輸出特性仍保持良好的線性；靈敏系數(shù)隨溫度的升高而減小。

關(guān)鍵詞：低溫壓力傳感器零點(diǎn)輸出輸出特性靈敏系數(shù)

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
　　測(cè)量歷來是科學(xué)推理客觀性的保證。壓力測(cè)量是整個(gè)計(jì)量測(cè)試技術(shù)的一個(gè)組成部分，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐中起著重要的作用。壓力測(cè)量對(duì)合理地使用原材料，改進(jìn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，都是必不可少的環(huán)節(jié)。在工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化過程中，壓力是檢測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)。
　　50 年代，美國(guó)的一些實(shí)驗(yàn)室著手研究半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，并且證實(shí)，半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)比導(dǎo)體大得多，其靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片高 50倍以上。六十年代以來又發(fā)展到直接利用硅做傳感器的敏感元件，并在其適當(dāng)部位滲入一定的雜質(zhì)而構(gòu)成應(yīng)力敏感元件，即固態(tài)傳感器技術(shù)。
　　擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片，一般是在高電阻率（即經(jīng)摻雜）的 N型硅片上擴(kuò)散一層P 型雜質(zhì)，從而形成P-N結(jié)阻擋層。用這樣方法可以在一個(gè)基底材料上用擴(kuò)散工藝做出電路的四個(gè)臂組成一個(gè)全電橋。
　　一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片，長(zhǎng)為L，截面積為A，電阻率為ρ，則其電阻R應(yīng)為：
　　　　　　　
　　在軸向外力作用下產(chǎn)生的變形為dL/L，此時(shí)電阻相對(duì)變化為：
　　　　　　　
　　面積的相對(duì)變化可以近似為：
　　所以：　　
　　　　　　
　　其中ε為電阻的縱向改變，?？梢?，電阻值的變化是電阻長(zhǎng)度、截面的集合應(yīng)變效應(yīng)和材料電阻率變化的壓阻效應(yīng)的綜合結(jié)果。
　　因而應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K為：
　　　　　　
　　也即：K=（1+2υ）+π₁E （6）
　　其中：π₁--縱向壓阻系數(shù)；E--楊氏彈性模量；υ--泊松比。
　　可見，K與半導(dǎo)體材料、摻雜濃度、擴(kuò)散層厚度、應(yīng)力相對(duì)于晶軸的取向都有關(guān)，例如，摻雜濃度愈低，則壓阻靈敏系數(shù)愈高，但是溫度影響也愈大。靈敏系數(shù)數(shù)不僅取決于尺寸變化引起的電阻變化（ 1+2υ），還取決于電阻率隨應(yīng)變變化引起的電阻變化（π₁E），而且π₁E是*重要的項(xiàng)。影響半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的基本誤差有兩個(gè)：即電阻溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)。
　　傳感器芯片處的溫度變化較大時(shí)，例如從室溫變化至液氮溫區(qū) ,由此引起的零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化，在如此大的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償存在較大困難。而零點(diǎn)漂移和靈敏度溫度漂移對(duì)測(cè)試結(jié)果都有很大影響。本文將就溫度對(duì)壓阻式傳感器性能的影響進(jìn)行研究。
　　
2 壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)
　　擴(kuò)散硅壓力傳感器^[1]是用集成電路工藝在硅片上制成四個(gè)等值擴(kuò)散電阻組成一個(gè)惠斯通電橋，具有體積小、重量輕、遲滯小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。
　　壓力傳器有上下兩個(gè)壓力腔，對(duì)表壓傳感器，上壓力腔與大氣相通，稱為低壓腔；下壓力腔與被測(cè)壓力相通，稱為高壓腔；中間由壓力敏感的硅膜片隔開。當(dāng)硅膜片兩邊存在壓力差時(shí)，在硅膜片上產(chǎn)生應(yīng)力，硅膜片上的四個(gè)等值電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，一對(duì)變大，另一對(duì)變小，使電橋失去平衡，輸出與被測(cè)壓力成比例的電壓^[2]。
　　一般情況下，低壓腔靠電纜內(nèi)導(dǎo)線的間隙漏氣作用保持大氣壓。然而，由于此縫隙很小，而且導(dǎo)線一般長(zhǎng)約兩米，當(dāng)壓力傳感器置于低溫時(shí)，電纜本身的收縮，加上電纜內(nèi)的空氣和低壓腔氣體體積收縮使其壓力變?yōu)椴豢深A(yù)知。其狀態(tài)顯然嚴(yán)重地影響了低溫下壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。為解決這一問題，在傳感受器后蓋焊接一根紫銅管，將導(dǎo)線從銅管中引出，如圖 1所示，這樣大大地增加了腔與大氣的通道，使低壓腔始終保持與大氣壓一致。為了研究傳感器的溫度性能，必須測(cè)得傳感器芯片所處的溫度。為此，將銅一康銅熱電偶從銅導(dǎo)管插入，其感溫頭靠近芯片，如圖 1中5所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　1-壓力管,2-殼體,3-硅片,4-高壓腔,5-熱電偶,6-低壓腔,7-銅管,8-導(dǎo)線
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖　　
　　
3 實(shí)驗(yàn)安排
　　為了測(cè)定壓力傳感器零點(diǎn)與溫度的關(guān)系和在不同溫度下傳感器的輸出性能，設(shè)計(jì)了如圖 2所示的測(cè)量系統(tǒng)。用液氮杜瓦提供冷源，在杜瓦中垂直方向存在溫度梯度，將壓力傳感器放在杜瓦中的不同位置得到不同的溫度。為維持杜瓦內(nèi)溫度分布穩(wěn)定，在杜瓦口處加蓋，盡可能地減少外界因素干擾引起的溫度波動(dòng)。用氮?dú)庾鳛闅庠?，?/span> 0.02級(jí)的浮球式壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)。恒壓源為壓力傳感器提供恒定電壓。傳感器的輸出和熱電偶的電勢(shì)用 IMP分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　1-浮球式標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì),2-壓力傳感器,3-壓力容器,4-恒壓源,5-數(shù)采系統(tǒng),6-液氮杜瓦
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖 2 壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)圖
　　

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 分析
　　4.1 零點(diǎn)輸出與溫度的關(guān)系
　　當(dāng)進(jìn)行零點(diǎn)-溫度關(guān)系測(cè)量時(shí)，去掉氣源，使容器3與大氣直接相通。將傳感器置于不同位置，經(jīng)過充分預(yù)冷，熱電偶輸出穩(wěn)定后，采集壓力傳感器和熱電偶的輸出。對(duì)兩只選用的傳感器進(jìn)行測(cè)量，其零點(diǎn)輸出 -溫度的關(guān)系如圖3 所示。從圖中可以看出，在溫度低于-95℃時(shí)，兩個(gè)傳感器的零點(diǎn)輸出存在不同變化，3#壓力傳感器的零點(diǎn)輸出隨溫度變化比較大，2#壓力傳感器的零點(diǎn)輸出隨溫度變化比較平緩。而當(dāng)溫度高于 -95℃時(shí)， 2#和3#壓力傳感器的零點(diǎn)輸出隨溫度的變化比較一致，都隨著溫度升高而增大。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3零點(diǎn)輸出與溫度的關(guān)系曲線
　　
　　4.2 低溫下傳感器的壓力輸出特性
　　當(dāng)進(jìn)行低溫下傳感器的壓力輸出特性標(biāo)定時(shí)，將容器 2接于標(biāo)準(zhǔn)壓力源上。測(cè)量前，先將傳感器置于預(yù)定位置，經(jīng)過充分預(yù)冷。對(duì)以上兩只傳感器的測(cè)定結(jié)果、輸出特性曲線分別示于圖 4和圖5中。圖中示出了五個(gè)溫度下的壓力-輸出曲線。由圖可見，在不同溫度下，壓阻式的壓力傳感器在低溫下仍具有良好的線性輸出特性。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 3#壓力傳感器輸出特性
　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 2#壓力傳感器輸出特性
　　
　　4．3 低溫下傳感器的靈敏系數(shù)
　　從圖4和圖5可以看出，雖然傳感器的壓力-輸出低溫下存在良好的線性，但是溫度對(duì)壓力傳感器的靈敏系數(shù)有影響，如圖6所示，是壓力傳感器隨溫度降低而變化的情形。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，壓力傳感器的靈敏度系數(shù)在逐漸減小。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 溫度對(duì)靈敏系數(shù)的影響
　　
　　
5 結(jié)論
　　本文就溫度對(duì)壓力傳感器零點(diǎn)輸出、輸出特性和靈敏系數(shù)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：（1）溫度對(duì)壓力傳感器的零點(diǎn)輸出有較大影響，溫度越低，零點(diǎn)輸出越小；（ 2）在低溫下，壓力傳感器輸出特性具有良好的線性；（ 3）壓力傳感器的靈敏系數(shù)隨溫度的升高而減小。
　　通過以上實(shí)驗(yàn)分析可知，溫度對(duì)壓力傳感器性能有明顯的影響，因此在用壓阻式壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量，溫度發(fā)生變化時(shí)，必須進(jìn)行標(biāo)定。
　　　　
參考文獻(xiàn)
　　[1] 潭祖根. 壓力測(cè)量?jī)x表，北京：機(jī)械工業(yè) 出版社，1981
　　[2] 程大亨. 熱工過程檢測(cè)儀表，北京中國(guó) 電力出版社，1997 　　

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