半导体压力传感器原理及结构

  半导体压力传感器可分为两类，一类是依据半导体PN结（或肖特基结）在应力效果下，I-υ特性发生显着的改动的原理制成的各种压敏二极管或晶体管。这种压力活络元件的功能很不安稳，未得到很大的开展。另一类是依据半导体压阻效应构成的传感器，这是半导体压力传感器的首要种类。前期大多是将半导体应变片粘贴在弹性元件上，制造成各种应力和应变的丈量仪器。60年代，跟着半导体集成电路技能的开展，呈现了由分散电阻作为压阻元件的半导体压力传感器。这种压力传感器结构相对比较简单牢靠，没有相对运动部件，传感器的压力活络元件和弹性元件合为一体，免除了机械滞后和蠕变，提高了传感器的功能。

  半导体的压阻效应 半导体具有一种与外力有关的特性，即电阻率（以符号ρ 表明）随所接受的应力而改动，称为压阻效应。单位应力效果下所发生的电阻率的相对改动，称为压阻系数，以符号π表明。以数学式表明为 墹ρ/ρ=πσ

  式中σ 表明应力。半导体电阻接受应力时所发生的电阻值的改动（墹R/R），首要由电阻率的改动所决议，所以上述压阻效应的表达式也可写成 墹R/R=πσ

  在外力效果下，半导体晶体中发生必定的应力（σ）和应变（ε），它们之间的相互联络，由资料的杨氏模量（Y）决议，即 Y=σ/ε

  G 称为压力传感器的活络因子，它表明在单位应变下所发生的电阻值的相对改动。

  压阻系数或活络因子是半导体压阻效应的根本物理参数。它们之间的联络正如应力与应变之间的联络相同，由资料的杨氏模量决议，即 G=πY

  因为半导体晶体在弹性上各向异性，杨氏模量和压阻系数随晶向而改动。半导体压阻效应的巨细，还和半导体的电阻率亲近有关，电阻率越低活络因子的数值越小。分散电阻的压阻效应由分散电阻的晶体取向和杂质浓度决议。杂质浓度首要是指分散层的外表杂质浓度。

  常用的半导体压力传感器选用N 型硅片作为基片。先把硅片制成必定几许形状的弹性受力部件，在此硅片的受力部位，沿不同的晶向制造四个P型分散电阻，然后用这四个电阻构成四臂惠斯登电桥，在外力效果下电阻值的改动就变成电信号输出。这个具有压力效应的惠斯登电桥是压力传感器的心脏，一般称作压阻电桥（图1）。压阻电桥的特点是：①电桥四臂的电阻值持平（均为R0）；②电桥相邻臂的压阻效应数值持平、符号相反；③电桥四臂的电阻温度系数相同，又一直处于同一温度下。图中R0为室温下无应力时的电阻值；墹RT为气温改动时由电阻温度系数（α）所引起的改动；墹Rδ为接受应变（ε）时引起的电阻值改动；电桥的输出电压为 u=I0墹Rδ=I0RGδ （恒流源电桥）

  式中I0为恒流源电流， E为恒压源电压。压阻电桥的输出电压直接与应变（ε）成正比，与电阻温度系数引起的RT无关，这使传感器的温度漂移大大减小。半导体压力传感器中使用最广的是一种检测流体压力的传感器。其首要结构是悉数由单晶硅资料构成的膜盒（图2）。膜片制成杯状，杯底是接受外力的部分，压力电桥就制造在杯底上面。用相同的硅单晶资料制造成圆环台座，然后把膜片粘结在台座上。这种压力传感器具有活络度较高、体积小、固体化等长处，已在航空、世界飞行、自动化外表和医疗仪器等方面得到遍及使用。

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