半導體壓力傳感器基本原理

　　半導體壓力傳感器可分成兩大類，一類是依據(jù)半導體PN結(或肖特基結)在應力作用下，I-υ特性產(chǎn)生變化的基本原理做成的各種壓敏二極管或晶體管。這類壓力光敏感元器件的特性很不穩(wěn)定，未得到較大的發(fā)展。另一類是依據(jù)半導體壓阻效應形成的感應器，它是半導體壓力傳感器的主要種類。初期大多數(shù)是將半導體電阻應變片粘貼在彈性元件上，做成各種應力和應變力的檢測儀器。六十年代，伴隨著半導體集成電路芯片技術性的發(fā)展，出現(xiàn)了由擴散電阻器做為壓阻元器件的半導體壓力傳感器。這類壓力傳感器構造簡易靠譜，沒有相對運動構件，傳感器的壓力敏感元件和彈性元件合為一體，免去了機械設備落后和應力松弛，提升了傳感器的特性。

　　半導體的壓阻效應半導體具備一種與外力相關的特性，即電阻率(以標記ρ表明)隨所承擔的地力而改變，稱之為壓阻效應。單位地應力作用下所產(chǎn)生的電阻率的相對變化，稱之為壓阻系數(shù)，以標記π表示。以數(shù)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需造成的電阻值的變化(墹R/R)，由電阻的變化所決策，因此以上壓阻效應的關系式也可寫出墹R/R=πσ

　　在外力的作用下，半導體結晶中造成一定的地應力(σ)和應變(ε)，他們間的內(nèi)在聯(lián)系，由原材料的楊氏模量(Y)決定，即Y=σ/ε

　　若以半導體所能是承受的應變來表示壓阻效應，則是墹R/R=Gε

　　G稱之為壓力傳感器的靈敏因子，它表示在單位應變力下所造成的阻值的相對變化。

　　壓阻指數(shù)或靈巧因素是半導體壓阻效應的基本上物理學主要參數(shù)。他們間的關聯(lián)如同地應力與應變間的關聯(lián)一樣，由原材料的楊氏模量決策，即G=πY

　　因為半導體結晶在彈性上各向異性，楊氏模量和壓阻系數(shù)隨晶向而改變。半導體壓阻效應的尺寸，還與半導體的電阻緊密相關，電阻越低靈敏因子的標值越小。擴散電阻的壓阻效應由擴散電阻器的結晶趨向和雜質(zhì)濃度決策。雜質(zhì)濃度關鍵就是指擴散層的表層雜質(zhì)濃度。

　　半導體壓力傳感器構造

　　常見的半導體壓力傳感器采用N型單晶硅片做為基片。先把硅片做成一定幾何圖形樣子的延展性承受力構件，在這里單晶硅片的承受力位置，沿不同的晶向制做四個P型擴散電阻，隨后用這四個電阻組成四臂惠斯登電橋，在外力的作用下阻值的變化就變?yōu)殡娦盘栞敵?。這一具備壓力效應的惠斯登電橋是壓力傳感器的心臟，一般稱之為壓阻電橋電路(圖1)。壓阻電橋電路的特性是：①電橋電路四臂的阻值相同(均為R0);②電橋電路鄰近臂的壓阻效應標值相同、符號相反;③電橋電路四臂的電阻溫度系數(shù)同樣，又自始至終處在同一溫度下。圖上R0為室內(nèi)溫度下無應力時的阻值;墹RT為溫度變化 時由電阻溫度系數(shù)(α)所引起的變化;墹Rδ為承受應變力(ε)時引起的阻值變化;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。壓阻電橋電路的輸出電壓立即與應變力(ε)正相關，與電阻器溫度系數(shù)引起的RT無關，這使感應器的溫度漂移大大的減少。半導體壓力傳感器中運用最廣的是一種檢驗流體壓力的傳感器。其關鍵構造是所有由光伏電池原材料組成的膜盒(圖2)。膜片做成杯狀，杯內(nèi)是承擔外力作用的一部分，壓力電橋電路就制做在杯底上邊。用一樣的硅單晶原材料做成圓形臺座，隨后把膜片粘接在臺座上。這種壓力傳感器具備靈敏度高、體型小、固體化等優(yōu)勢，已在航空公司、宇宙航行、儀器儀表和醫(yī)療設備等方面獲得廣泛運用。