半導體壓力感測器

由半導體壓力敏感元件構成的感測器。對壓力、應變等機械量進行信息處理的必要條件是把機械量轉換成電學量,這種機-電變換裝置就是壓力感測器。

簡介,結構,

簡介

半導體壓力感測器可分為兩類,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製成的各種壓敏二極體或電晶體。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感測器,這是半導體壓力感測器的主要品種。早期大多是將半導體應變片貼上在彈性元件上,製成各種應力和應變的測量儀器。60年代,隨著半導體積體電路技術的發展,出現了由擴散電阻作為壓阻元件的半導體壓力感測器。這種壓力感測器結構簡單可靠,沒有相對運動部件,感測器的壓力敏感元件和彈性元件合為一體,免除了機械滯後和蠕變,提高了感測器的性能。
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(以符號ρ 表示)隨所承受的應力而改變,稱為壓阻效應。單位應力作用下所產生的電阻率的相對變化,稱為壓阻係數,以符號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產生的電阻值的變化(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,半導體晶體中產生一定的應力(σ)和應變(ε),它們之間的相互關係,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 稱為壓力感測器的靈敏因子,它表示在單位應變下所產生的電阻值的相對變化。
壓阻係數或靈敏因子是半導體壓阻效應的基本物理參數。它們之間的關係正如應力與應變之間的關係一樣,由材料的楊氏模量決定,即 G=πY
由於半導體晶體在彈性上各向異性,楊氏模量和壓阻係數隨晶向而改變。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。

結構

常用的半導體壓力感測器選用N 型矽片作為基片。先把矽片製成一定幾何形狀的彈性受力部件,在此矽片的受力部位,沿不同的晶向製作四個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號輸出。這個具有壓力效應的惠斯登電橋是壓力感測器的心臟,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、符號相反;③電橋四臂的電阻溫度係數相同,又始終處於同一溫度下。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係數(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  (恆流源電橋)
圖1圖1
式中I0為恆流源電流, E為恆壓源電壓。壓阻電橋的輸出電壓直接與應變(ε)成正比,與電阻溫度係數引起的RT無關,這使感測器的溫度漂移大大減小。半導體壓力感測器中套用最廣的是一種檢測流體壓力的感測器。其主要結構是全部由單晶矽材料構成的膜盒(圖2)。膜片製成杯狀,杯底是承受外力的部分,壓力電橋就製作在杯底上面。用同樣的矽單晶材料製成圓環台座,然後把膜片粘結在台座上。這種壓力感測器具有靈敏度高、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套用。
圖2圖2

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