扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验

实验十一 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验

一、实验目的：

了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器

压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V、±15V。 三、实验原理

在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如下图所示：在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

扩散硅压力传感器的工作原理：在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流

i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电流方向将会产生电场变化Ei，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流

垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo。

UOdEdi （11-1） 式中d为元件两端距离。

实验接线图如图11-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1图11-1 扩散硅压力传感器原理图

四、实验内容与步骤

1．接入+5V、±15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。

4．调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。

5．气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。

6．保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.095Mpa；填入下表1。

7．保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa；填入下表2。

8．保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔

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0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力为0.005Mpa；填入下表3。 9．保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力为0.005Mpa；填入下表。

10．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验数据记录与分析

1、保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力 P1(kP) 0.01 Uo2（V） 1.608 P1(kP) Uo2(V) 0.055 7.05 0.015 2.28 0.060 7.79 0.020 3.02 0.065 8.21 0.025 3.54 0.070 8.73 0.030 4.22 0.075 9.25 0.035 4.89 0.080 9.62 0.040 5.45 0.085 10.03 0.045 6.07 0.090 10.58 0.050 6.63 0.095 11.04 （表1）

用matlab绘制P1-Uo2曲线图如下图所示

12P1-Uo2曲线图 108Uo2/V6 4 2 00 0.005

0.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1P1/kP2、保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力

P2(kP) 0.01 Uo2（V） 10.14 P2(kP) 0.055 0.015 9.76 0.060 5.08 0.020 9.32 0.065 4.59 0.025 8.82 0.070 3.85 0.030 8.36 0.075 3.26 0.035 7.85 0.080 2.56 0.040 7.41 0.085 1.68 0.045 6.79 0.090 1.12 0.050 6.23 0.095 0.32 Uo2（V） 5.72 2 / 7

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（表2）

用matlab绘制P2-Uo2曲线图如下图所示

10-1-2-3-4-5-6-7-8-9减小P2-Uo2曲线 00.005 0.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09Uo2/ V

P2/ kP3、保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力

P1(kP) 0.090 Uo2（V） -0.67 P1(kP) 0.045 0.085 -1.33 0.040 -6.01 0.080 -1.95 0.035 -6.27 0.075 -2.57 0.030 -6.70 0.070 -3.13 0.025 -7.18 0.065 -3.67 0.020 -7.52 0.060 -3.95 0.015 -7.90 0.055 -4.51 0.010 -8.22 0.050 -5.13 0.005 -8.55 Uo2（V） -5.57 （表3）

用matlab绘制P1-Uo2曲线图如下图所示

0-1-2-3 减小P1-Uo2曲线图Uo2/ V-4-5-6-7-8-9 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.043 / P1/kP7

0.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！

4、保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力 P2(kP) 0.090 Uo2（V） -8.05 P2(kP) 0.045 Uo2（V） -4.39 0.085 -7.71 0.040 -3.92 0.080 -7.30 0.035 -3.42 0.075 -6.92 0.030 -2.86 0.070 -6.50 0.025 -2.30 0.065 -6.11 0.020 -1.65 0.060 -5.70 0.015 -1.07 0.055 -5.34 0.010 -0.40 0.050 -4.89 0.005 0.29 （表4）

用matlab绘制的P2-Uo2曲线图如下图所示

10-1-2-3-4-5-6-7-8-9 00.005减小P2-Uo2曲线Uo2/ V

0.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/ kP线性拟合直线的斜率即为所求的灵敏度，故对上面的曲线图依次进行线性拟合，如下图

5、灵敏度及非线性误差计算

所示（红色为拟合直线），并由此算出其灵敏度和非线性误差。

灵敏度L=ΔU/ΔP=拟合直线斜率 非线性误差δf=Δm/yF..S ×100％ （Δm为输出值与拟合直线的最大偏差，yF·S为满量程输出平均值）

（1）

12P1-Uo2拟合直线 108Uo2/V64 / 7 4传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！

y = p1*x + p2 p1 = 110.3 p2 = 0.87657 由图读出Δm=0.392

故 灵敏度S＝L=ΔU/ΔP=p1=110.3v/kp

非线性误差δf =(0.392/11.4) ×100％=3.5% (2)

12 0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04P2-Uo2曲线图 data1 线性108Uo2/ V6420 00.045

0.050.055气压P2/kP0.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1y = p1*x + p2 p1 = -115.24 p2 = 11.765 由图读出Δm=0.65 故 灵敏度L=ΔU/ΔP=p1=-115.24 v/kp

非线性误差δf =(0.65/10.72) ×100％=6.1% （3）

0减小P1-Uo2曲线图 data1 线性 -1-2-3-4Uo2/ V-5-6-7-8-95 / 7 0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05P1/kP0.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09-10 0传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！

y = p1*x + p2 p1 = 91.498 p2 = -9.3923 由图读出Δm=0.45 故 灵敏度L＝ΔU/ΔP =p1=91.498v/kp

非线性误差δf=(0.45/8.87) ×100％=5.1% （4） 减小P2-Uo2曲线 0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.045P2/ kP1 data1 线性0-1-2-3Uo2/ V-4-5-6-7-8-9 00.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09

y = p1*x + p2 p1 = -96.409 p2 = 0.23275 由图读出Δm=0.58 故 灵敏度L＝ΔU/ΔP=p1=-96.409v/kp 非线性误差δf=(0.58/8.84)×100％=6.6%

六、实验报告

1．根据实验所得数据，计算压力传感器输入P（P1-P2）—输出Uo2曲线。计算灵敏度L=ΔU/ΔP，非线性误差δf。

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图11-2 扩散硅压力传感器接线图

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