低溫下壓阻式壓力傳感器性能的實驗研究

低溫下壓阻式壓力傳感器性能的實驗研究
來源：中國論文下載中心 [ 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：
　　通過實驗對壓力傳感器的溫度效應進行了 研究。結果表明，當溫度在低溫范圍內變化時，壓力傳感器的零點輸出有較大的變化，但輸出特性仍保持良好的線性；靈敏系數隨溫度的升高而減小。

關鍵詞：低溫壓力傳感器零點輸出輸出特性靈敏系數

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
　　測量歷來是科學推理客觀性的保證。壓力測量是整個計量測試技術的一個組成部分，在工業生產和科學實踐中起著重要的作用。壓力測量對合理地使用原材料，改進工藝流程，提高產品質量，都是必不可少的環節。在工業生產的自動化過程中，壓力是檢測的一個重要參數。
　　50 年代，美國的一些實驗室著手研究半導體的壓阻效應，并且證實，半導體的壓阻效應比導體大得多，其靈敏系數比金屬應變片高 50倍以上。六十年代以來又發展到直接利用硅做傳感器的敏感元件，并在其適當部位滲入一定的雜質而構成應力敏感元件，即固態傳感器技術。
　　擴散型半導體應變片，一般是在高電阻率（即經摻雜）的 N型硅片上擴散一層P 型雜質，從而形成P-N結阻擋層。用這樣方法可以在一個基底材料上用擴散工藝做出電路的四個臂組成一個全電橋。
　　一個半導體應變片，長為L，截面積為A，電阻率為ρ，則其電阻R應為：
　　　　　　　
　　在軸向外力作用下產生的變形為dL/L，此時電阻相對變化為：
　　　　　　　
　　面積的相對變化可以近似為：
　　所以：　　
　　　　　　
　　其中ε為電阻的縱向改變，。可見，電阻值的變化是電阻長度、截面的集合應變效應和材料電阻率變化的壓阻效應的綜合結果。
　　因而應變片的靈敏系數K為：
　　　　　　
　　也即：K=（1+2υ）+π₁E （6）
　　其中：π₁--縱向壓阻系數；E--楊氏彈性模量；υ--泊松比。
　　可見，K與半導體材料、摻雜濃度、擴散層厚度、應力相對于晶軸的取向都有關，例如，摻雜濃度愈低，則壓阻靈敏系數愈高，但是溫度影響也愈大。靈敏系數數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變變化引起的電阻變化（π₁E），而且π₁E是*重要的項。影響半導體應變計的基本誤差有兩個：即電阻溫度系數和靈敏度溫度系數。
　　傳感器芯片處的溫度變化較大時，例如從室溫變化至液氮溫區 ,由此引起的零點漂移和靈敏度的變化，在如此大的范圍內進行溫度補償存在較大困難。而零點漂移和靈敏度溫度漂移對測試結果都有很大影響。本文將就溫度對壓阻式傳感器性能的影響進行研究。
　　
2 壓阻式傳感器結構
　　擴散硅壓力傳感器^[1]是用集成電路工藝在硅片上制成四個等值擴散電阻組成一個惠斯通電橋，具有體積小、重量輕、遲滯小、靈敏度高等優點，因而得到廣泛應用。
　　壓力傳器有上下兩個壓力腔，對表壓傳感器，上壓力腔與大氣相通，稱為低壓腔；下壓力腔與被測壓力相通，稱為高壓腔；中間由壓力敏感的硅膜片隔開。當硅膜片兩邊存在壓力差時，在硅膜片上產生應力，硅膜片上的四個等值電阻在應力作用下，阻值發生變化，一對變大，另一對變小，使電橋失去平衡，輸出與被測壓力成比例的電壓^[2]。
　　一般情況下，低壓腔靠電纜內導線的間隙漏氣作用保持大氣壓。然而，由于此縫隙很小，而且導線一般長約兩米，當壓力傳感器置于低溫時，電纜本身的收縮，加上電纜內的空氣和低壓腔氣體體積收縮使其壓力變為不可預知。其狀態顯然嚴重地影響了低溫下壓力測量的準確性。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，必須測得傳感器芯片所處的溫度。為此，將銅一康銅熱電偶從銅導管插入，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-導線
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 壓力傳感器結構示意圖　　
　　
3 實驗安排
　　為了測定壓力傳感器零點與溫度的關系和在不同溫度下傳感器的輸出性能，設計了如圖 2所示的測量系統。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。為維持杜瓦內溫度分布穩定，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。用氮氣作為氣源，用 0.02級的浮球式壓力計作為標準壓力計。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用 IMP分布式數據采集系統進行采集。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　1-浮球式標準壓力計,2-壓力傳感器,3-壓力容器,4-恒壓源,5-數采系統,6-液氮杜瓦
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖 2 壓力傳感器標定系統圖
　　

4 實驗結果與 分析
　　4.1 零點輸出與溫度的關系
　　當進行零點-溫度關系測量時，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，經過充分預冷，熱電偶輸出穩定后，采集壓力傳感器和熱電偶的輸出。對兩只選用的傳感器進行測量，其零點輸出 -溫度的關系如圖3 所示。從圖中可以看出，在溫度低于-95℃時，兩個傳感器的零點輸出存在不同變化，3#壓力傳感器的零點輸出隨溫度變化比較大，2#壓力傳感器的零點輸出隨溫度變化比較平緩。而當溫度高于 -95℃時， 2#和3#壓力傳感器的零點輸出隨溫度的變化比較一致，都隨著溫度升高而增大。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3零點輸出與溫度的關系曲線
　　
　　4.2 低溫下傳感器的壓力輸出特性
　　當進行低溫下傳感器的壓力輸出特性標定時，將容器 2接于標準壓力源上。測量前，先將傳感器置于預定位置，經過充分預冷。對以上兩只傳感器的測定結果、輸出特性曲線分別示于圖 4和圖5中。圖中示出了五個溫度下的壓力-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
　　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，但是溫度對壓力傳感器的靈敏系數有影響，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在逐漸減小。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 溫度對靈敏系數的影響
　　
　　
5 結論
　　本文就溫度對壓力傳感器零點輸出、輸出特性和靈敏系數進行了研究，得到以下結論：（1）溫度對壓力傳感器的零點輸出有較大影響，溫度越低，零點輸出越小；（ 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隨溫度的升高而減小。
　　通過以上實驗分析可知，溫度對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行壓力測量，溫度發生變化時，必須進行標定。
　　　　
參考文獻
　　[1] 潭祖根. 壓力測量儀表，北京：機械工業出版社，1981
　　[2] 程大亨. 熱工過程檢測儀表，北京中國電力出版社，1997 　　

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