半導體壓力傳感器原理

　　半導體壓力傳感器可分為兩類，一類是根據半導體PN結（或肖特基結）在應力作用下，I-υ特性發生變化的原理制成的各種壓敏二極管或晶體管。這種壓力敏感元件的性能很不穩定，未得到很大的發展。另一類是根據半導體壓阻效應構成的傳感器，這是半導體壓力傳感器的主要品種。早期大多是将半導體應變片粘貼在彈性元件上，制成各種應力和應變的測量儀器。60年代，随着半導體集成電路技術的發展，出現了由擴散電阻作為壓阻元件的半導體壓力傳感器。這種壓力傳感器結構簡單可靠，沒有相對運動部件，傳感器的壓力敏感元件和彈性元件合為一體，免除了機械滞後和蠕變，提高了傳感器的性能。

　　半導體的壓阻效應 　半導體具有一種與外力有關的特性，即電阻率（以符号ρ 表示）随所承受的應力而改變，稱為壓阻效應。單位應力作用下所産生的電阻率的相對變化，稱為壓阻系數，以符号π表示。以數學式表示為 墹ρ/ρ=πσ

　　式中σ 表示應力。半導體電阻承受應力時所産生的電阻值的變化（墹R/R），主要由電阻率的變化所決定，所以上述壓阻效應的表達式也可寫成 墹R/R=πσ

　　在外力作用下，半導體晶體中産生一定的應力（σ）和應變（ε），它們之間的相互關系，由材料的楊氏模量（Y）決定，即 Y=σ/ε

　　若以半導體所承受的應變來表示壓阻效應，則是 墹R/R=Gε

　　G 稱為壓力傳感器的靈敏因子，它表示在單位應變下所産生的電阻值的相對變化。

　　壓阻系數或靈敏因子是半導體壓阻效應的基本物理參數。它們之間的關系正如應力與應變之間的關系一樣，由材料的楊氏模量決定，即 G=πY

　　由于半導體晶體在彈性上各向異性，楊氏模量和壓阻系數随晶向而改變。半導體壓阻效應的大小，還與半導體的電阻率密切有關，電阻率越低靈敏因子的數值越小。擴散電阻的壓阻效應由擴散電阻的晶體取向和雜質濃度決定。雜質濃度主要是指擴散層的表面雜質濃度。

　　半導體壓力傳感器結構

　　常用的半導體壓力傳感器選用N 型矽片作為基片。先把矽片制成一定幾何形狀的彈性受力部件，在此矽片的受力部位，沿不同的晶向制作四個P型擴散電阻，然後用這四個電阻構成四臂惠斯登電橋，在外力作用下電阻值的變化就變成電信号輸出。這個具有壓力效應的惠斯登電橋是壓力傳感器的心髒，通常稱作壓阻電橋（圖1）。壓阻電橋的特點是：①電橋四臂的電阻值相等（均為R0）；②電橋相鄰臂的壓阻效應數值相等、符号相反；③電橋四臂的電阻溫度系數相同，又始終處于同一溫度下。圖中R0為室溫下無應力時的電阻值；墹RT為溫度變化時由電阻溫度系數（α）所引起的變化；墹Rδ為承受應變（ε）時引起的電阻值變化；電橋的輸出電壓為 u=I0墹Rδ=I0RGδ　 （恒流源電橋）

　　式中I0為恒流源電流， E為恒壓源電壓。壓阻電橋的輸出電壓直接與應變（ε）成正比，與電阻溫度系數引起的RT無關，這使傳感器的溫度漂移大大減小。半導體壓力傳感器中應用最廣的是一種檢測流體壓力的傳感器。其主要結構是全部由單晶矽材料構成的膜盒（圖2）。膜片制成杯狀，杯底是承受外力的部分，壓力電橋就制作在杯底上面。用同樣的矽單晶材料制成圓環台座，然後把膜片粘結在台座上。這種壓力傳感器具有靈敏度高、體積小、固體化等優點，已在航空、宇宙航行、自動化儀表和醫療儀器等方面得到廣泛應用。

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