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半導(dǎo)體壓力傳感器基本原理

半導(dǎo)體壓力傳感器可分成兩大類，一類是依據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)(或肖特基結(jié))在應(yīng)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(dǎo)體壓阻效應(yīng)形成的感應(yīng)器，它是半導(dǎo)體壓力傳感器的主要種類。初期大多數(shù)是將半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，做成各種應(yīng)力和應(yīng)變力的檢測儀器。六十年代，伴隨著半導(dǎo)體集成電路芯片技術(shù)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(dǎo)體壓力傳感器。這類壓力傳感器構(gòu)造簡易靠譜，沒有相對運動構(gòu)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(shè)備落后和應(yīng)力松弛，提升了傳感器的特性。

半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體具備一種與外力相關(guān)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(yīng)。單位地應(yīng)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(xué)式表示為 墹ρ/ρ=πσ

式中σ表示應(yīng)力。半導(dǎo)體電阻承受應(yīng)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(yīng)的關(guān)系式也可寫出墹R/R=πσ

在外力的作用下，半導(dǎo)體結(jié)晶中造成一定的地應(yīng)力(σ)和應(yīng)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(dǎo)體所能是承受的應(yīng)變來表示壓阻效應(yīng)，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(yīng)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(dǎo)體壓阻效應(yīng)的基本上物理學(xué)主要參數(shù)。他們間的關(guān)聯(lián)如同地應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)聯(lián)一樣，由原材料的楊氏模量決策，即G=πY

因為半導(dǎo)體結(jié)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(dǎo)體壓阻效應(yīng)的尺寸，還與半導(dǎo)體的電阻緊密相關(guān)，電阻越低靈敏因子的標值越小。擴散電阻的壓阻效應(yīng)由擴散電阻器的結(jié)晶趨向和雜質(zhì)濃度決策。雜質(zhì)濃度關(guān)鍵就是指擴散層的表層雜質(zhì)濃度。

半導(dǎo)體壓力傳感器構(gòu)造

常見的半導(dǎo)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變力(ε)正相關(guān)，與電阻器溫度系數(shù)引起的RT無關(guān)，這使感應(yīng)器的溫度漂移大大的減少。半導(dǎo)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(guān)鍵構(gòu)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(shè)備等方面獲得廣泛運用。