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          半導體壓力傳感器原理_半導體壓力傳感器結構

          2020年01月17日 09:56 網絡整理 作者:網絡整理 用戶評論(0

            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。早期大多是將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,隨著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,免除了機械滯后和蠕變,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,稱為壓阻系數,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產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。

            半導體壓力傳感器結構

            常用的半導體壓力傳感器選用N 型硅片作為基片。先把硅片制成一定幾何形狀的彈性受力部件,在此硅片的受力部位,沿不同的晶向制作四個P型擴散電阻,然后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傳感器的心臟,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)

          半導體壓力傳感器原理_半導體壓力傳感器結構

            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硅材料構成的膜盒(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。用同樣的硅單晶材料制成圓環臺座,然后把膜片粘結在臺座上。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。

          半導體壓力傳感器原理_半導體壓力傳感器結構

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