压力传感器设计:压力传感器设计.docx

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压力传感器设计:压力传感器设计.docx传感器与检测技术电阻应变式压力传感器的设计学院:信息技术学院指导老师:蔡杰班级:B1106姓名:张佳林学号:目录设计任务分析……………..方案设计…………………2.1原理简述………………….2.2应变片检测原理…………….2.3弹性元件的选择及设计..

压力传感器设计:压力传感器设计.docx

传感器与检测技术
电阻应变式压力传感器的设计
学院:信息技术学院 指导老师:蔡杰 班级: B1106 姓名:张佳林 学号:
目录
设计任务分析 .................
方案设计 .....................
2.1 原理简述 ......................
2.2 应变片检测原理 ................
2.3 弹性元件的选择及设计 ..........
2.4 应变片的选择及设计 ............
三、单元电路的设计 ...............
3.1 电桥电路的设计 ................
3.2 放大电路的设计 ................
3.3 移相器的设计 ..................
3.4 过零比较器的设计 ..............
3.5 相敏检波电路的设计 ............
3.6 低通滤波器的设计 ..............
误差分析 .....................
心得体会 .....................
致谢 .........................

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电阻应变式压力传感器的设计
1. ;
二、方案设计
原理框图如图一所示。 (质量)压力

电阻应变片

交流电桥 5交流
放大器

移相器
数显表头

低通滤波

相敏检波

过零比较器
2.2 应变片检测原理
电阻应变片(金属丝、箔式或半导体应变片)粘贴在测量压力的弹性元件表 面上,当被测压力变化时,弹性元件内部应力变形,这个变形应力使应变片的电 阻产生变形,根据所测电阻变化的大小来测量未知压力,也实现本次设计未知质 量的检测。
设一根电阻丝,电阻率为 ?,长度为 l ,截面积为 S,在未受力时的电阻值为
?

l
S


图一 金属丝伸长后几何尺寸变化
如图一所示,电阻丝在拉力 F 作用下,长度 l 增加,截面 S 减少,电阻率 ?也相
应变化,将引起电阻变化△R,其值为
?R ?l ?S=— +
R l S

?


对于半径 r 为的电阻丝,截面面积 ?r 2 ,则有 ?s s=2 ?r r 。令电阻丝的轴向
应变为 ?

l l ,径向应变为 ?r r ?- ?(?l l )

, ?

由材料力学可知,为电
阻丝材料的泊松系数,经整理可得
?R
R
=(1+2 ?)

?


通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数,其表达式为
K=?R R
?

?(1 ?2 ?) ?
?
?


从④可以明显看出,电阻丝灵敏系数 K 由两部分组成:受力后由材料的几何尺
受力引起 (1 ?2 ?) ;由材料电阻率变化引起的 ( ?)?_1 。对于金属丝材料,
( ?)?_

1 项的值比 (1 ?2

?) 小很多,可以忽略,故 K ?1 ?2

? 。大量实验证明
在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即为常数。 通常金属丝的=1.7~3.6。④可写成
?R
R
=K ?


2.3 弹性元件的选择及设计
本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的,所以弹性元件承受物重 也即压力,这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性,通过查设计手 册,决定选取合金结构钢 302A,其抗拉应力是 1700,屈服强度是 1000,弹性模 量是 211。
同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁,其示意图如图二所示
0000
0
0
0
0
图二 等截面梁
作用力 F 与某一位置处的应变关系可按下式计算: ?
=
6Fl
0
Ebh 2
式中:
?
——距自由端为 l 处的应变值; l
——梁的长度;
E——梁的材料弹性模量;
b——梁的宽度;
h——梁的厚度。
通过设计,选取 l=20, l 0=
现校核如下:
6Fl 6 ?100 ?14 ?10 -3 ?==bh 2 10 ?10 -3 ?9 ?10 -6

Mpa=93.3Mpa <<1000Mpa
因此,选取是合理的。
2.4 应变片的选择及设计
从理论学习中知道,箔式应变片具有敏感栅薄而宽,粘贴性能好,传递应变
性能好;散热性好,敏感栅弯头横向效应可以压力传感器设计:压力传感器设计.docx  第1张

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2016-05-31 15:00:36

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压力传感器设计:压力传感器设计.docx  第2张

压力传感器设计:压阻式压力传感器的仿真设计

设计压阻式压力传感器等 MEMS 设备是一项极富挑战的工作,这是因为精确描述此类设备的工作条件需要基于多个物理场的耦合分析。借助 COMSOL Multiphysics?,您便可以轻松地耦合多物理场仿真,进而便捷地测试设备性能并获取精确的分析结果。今天,我们将通过一个示例来展示软件的这一强大功能。
压阻式压力传感器的优势
压阻式压力传感器是首款商用的 MEMS 设备。作为压力传感器市场占有率最高的产品,此类设备在众多应用领域拥有着极为广泛的用途。血压测量仪和汽车发动机中的油(气)量表是其最常见的应用示例。
压阻效应定义
压阻式压力传感器在生物医学领域及汽车行业的应用。左图:血压测量装置。图像由 Andrew Butko 拍摄。已获CC BY-SA 3.0许可,通过 Wikimedia Commons 共享。右图:汽车油表。图像由 Marcus Yeagley 拍摄。已获 CC BY-SA 2.0 许可,通过Flickr Creative Commons共享。
相比于电容式压力传感器,压阻式压力传感器虽然耗电量较高、噪声相对较大,但它却拥有电容式压力传感器不具备的许多优点,例如压阻式压力传感器能更容易地与电子设备相集成。不仅如此,它对压力的响应更为线性,并且还能屏蔽射频噪声的干扰。
压阻式压力传感器同其他 MEMS 设备一样,其设计中也包含了多个物理场。为了准确地评估传感器性能,需要借助可靠工具来对不同的物理场进行耦合,并描述它们之间的相互作用。COMSOL Multiphysics 的丰富特征和功能绝对可以满足您的需求。精确的仿真结果让您进行实际制造前,便能准确地了解设备的性能。
我们从“案例下载”中选取了一个示例,来让您更深入地了解 COMSOL 软件的强大功能。
借助 COMSOL Multiphysics? 评估压阻式压力传感器的性能
“压阻式压力传感器,壳”教学模型的设计基于原摩托罗拉(Motorola)公司半导体事业部制造的一款压力传感器,该部门后来发展成为飞思卡尔半导体有限公司(Freescale Semiconductor)。该型号的传感器现已停产,文末的参考文献 1提供了该传感器的详细分析,参考文献 2提供了制造商的存档数据表。
压阻式压力传感器,壳
模型的几何结构由一个厚度为 20 μm、边长为 1 mm 的正方形隔膜组成。隔膜的周围是宽 0.1mm 的支撑区域,该区域固定在隔膜下侧,与设备中的半导体材料粗柄相连。靠近隔膜的边缘处,您可以看到一个 X 形的压敏电阻 Xducer? (以下简称 X)及与其相连的线。该区域内仅加入了少量的互连线,这些连接线的电导率足够高,故不会对设备的输出产生影响。
传感器模型的几何结构(左图)和压敏电阻几何结构的细节图(右图)。
如果我们向 X 中沿[100]方向的臂施加一个电压,则会有电流沿臂流过。当压力导致植入的传感器的隔膜发生变形时,设备中会产生剪切应力。由于产生了剪切应力,X 中沿[010]方向的臂内会产生与电流方向垂直的电场或电势梯度——这是由压阻效应产生的。换能器宽度上的电势梯度逐渐相加,最终使 X的[010]臂两端之间产生电压差。
在这种情况下,我们假设压敏电阻的厚度为 400 nm,密度为 的均匀 p 型半导体。由于连接线具有相同的厚度,故我们假设其掺杂密度为 。
对于方向来说,半导体材料的边必须与模型的 x 轴,y 轴和硅的[110]方向对齐。与此同时,压敏电阻与材料边缘成 45o 角,也就是它位于晶体的[100]方向。为了确定晶体方向,可将模型的坐标系关于 z 轴旋转 45o。借助 COMSOL 软件中的旋转坐标系 特征,我们可以轻易完成上述操作。
在此案例中,我们使用压阻效应,边界电流 接口来对结构方程式和薄层上的电气方程进行模拟,此薄层与结构上的边界相重合。使用此类二维“壳”公式可以大大降低模拟薄层结构占用的计算资源。请注意,我们同时选择了“MEMS 模块”与“结构力学模块”来执行分析。
结果比较
首先,让我们观察一下施加了 100kPa 压力后隔膜的位移情况。在下方的仿真绘图中,我们可以观察到隔膜中心的位移为 1.2μm,参考文献 1 中各向同性模型预计该点处的位移为 4μm。考虑到分析模型是基于粗略的猜想,故可以认为此案例的结果与文献中的结果是相匹配的。
施加 100 kPa压力后隔膜的位移情况。
当在局部坐标系中对隔膜边缘中点处取更为精确剪切应力值时,参考文献 1表示局部剪切应力为 35MPa。这一结果与本文仿真研究中的最小值 38MPa 非常吻合。从理论上讲,隔膜边缘中点处的剪切应力应最大。
压敏电阻局部坐标系中的剪切应力。
下图展示了隔膜边缘上的剪切应力。每条边的中心处,局部剪切应力最大,为 38MPa。
沿两条隔膜边缘的局部剪切应力。
鉴于设备尺寸和掺杂度估算值,在正常运行下,模型输出与制造商数据表中的信息十分吻合。举例来说,在该模型中,施加 3V 的偏压后可以得到 5.9mA 的工作电流。数据表中记录有一个相似的 6mA 电流。此外,该模型的电压输出为 54mV。如数据表所示,设备产生的实际电位差为 60mV。
最后,让我们看看 Xducer? 传感器的电流与电压分布详情。参考文献 3中提到,当电压传感元件中的载流硅线的局部宽度增大时,可能会发生“短路效应”。该效应的本质原因是电流扩散到了 X 形压敏电阻的传感臂中。具体情况请参见下图。此外,下图还突出显示了不对称电位,它也由压阻效应产生的。
3 V 的偏压、100 kPa 压力时,设备的电流密度和电势。压阻式压力传感器,壳更多资源如您希望获取“压阻式压力传感器”演示教程,请观看已归档的网络研讨会Modeling MEMS Devices with COMSOL Multiphysics? 浏览“COMSOL 博客”中 MEMS 分类下的文章,了解更多关于 MEMS 设备的仿真应用参考文献S.D. Senturia, “A Piezoresistive Pressure Sensor”, Microsystem Design, chapter 18, Springer, 2000.Motorola Semiconductor MPX100 series technical data, document: MPX100/D, 1998.M. Bao, Analysis and Design Principles of MEMS Devices, Elsevier B. V., 2005.
Xducer? 是飞思卡尔半导体公司的商标,该公司前身为摩托罗拉公司。COMSOL Multiphysics? 软件及此模型并不从属于飞思卡尔半导体公司或摩托罗拉公司,同时未以任何方式接受其赞助或认可。
经授权转载自 原作者 Bridget Cunningham。
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压力传感器设计:请高手设计一个压力传感器转换电路

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17楼

楼主|
发表于2019-1-14 16:25

只看该作者

maychang 发表于 2019-1-14 16:15
首帖你那“两张纸”,下面标注了红色、黑色、绿色、白色线定义,你15楼却并无颜色标注。
原来第一张纸是有的,老板给我看了。第二张纸,我没有,是今天为了发帖子,老板
临时让厂里的工人拍的。
点评
maychang
其实这是相当简单的电路,前面各网友的回复也说明这个测量电路比较简单。此电路困难在于零点的漂移,你采用INA188,应该没有问题。只要传感器和芯片未损坏,电路应该可以正常工作。
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发表于 2019-1-14 17:21
maychang
以上是判断压力传感器是否损坏的方法。
确定压力传感器完好后,可以接上仪表放大器,并对运放施加电源。
运放输出可能正向饱和或者负向饱和,这是因为传感器在未受力时其输出不一定为零,即传感器有零点误差。此零
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发表于 2019-1-14 17:19
maychang
你的传感器不接放大电路(两输出端悬空),对传感器施加激励电源,其两个输出端接万用表最灵敏电压档,对传感器施加机械负荷,万用表上应该可以看到示数变化。
你的传感器容量最小的是2吨。对其施加数百kg力应该不困
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发表于 2019-1-14 16:54
chenbingjy
那怎么就没办法了呢?我不是贴出来了吗?
详情
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发表于 2019-1-14 16:33
maychang
“原来第一张纸是有的,老板给我看了。第二张纸,我没有”
那么谁也没有办法。
详情
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发表于 2019-1-14 16:32

个人签名为江山踏坏了乌骓马,为社稷拉断了宝雕弓。

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