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凯发k8娱乐官网app半导体压力传感器原理及结|福永|构

来源:凯发k8·[中国]官方网站 发布时间:2024-06-07

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  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 表示)随所承受的应力而改变福永◈◈★,称为压阻效应◈◈★。单位应力作用下所产生的电阻率的相对变化◈◈★,称为压阻系数◈◈★,以符号π表示◈◈★。以数学式表示为 墹ρ/ρ=πσ

  式中σ 表示应力◈◈★。半导体电阻承受应力时所产生的电阻值的变化(墹R/R)◈◈★,主要由电阻率的变化所决定◈◈★,所以上述压阻效应的表达式也可写成 墹R/R=πσ

  在外力作用下◈◈★,半导体晶体中产生一定的应力(σ)和应变(ε)◈◈★,它们之间的相互关系福永◈◈★,由材料的杨氏模量(Y)决定◈◈★,即 Y=σ/ε

  压阻系数或灵敏因子是半导体压阻效应的基本物理参数◈◈★。它们之间的关系正如应力与应变之间的关系一样◈◈★,由材料的杨氏模量决定◈◈★,即 G=πY

  由于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变◈◈★。半导体压阻效应的大小凯发k8娱乐官网app◈◈★,还与半导体的电阻率密切有关◈◈★,电阻率越低灵敏因子的数值越小◈◈★。扩散电阻的压阻效应由扩散电阻的晶体取向和杂质浓度决定凯发k8娱乐官网app◈◈★。杂质浓度主要是指扩散层的表面杂质浓度◈◈★。

  常用的半导体压力传感器选用N 型硅片作为基片◈◈★。先把硅片制成一定几何形状的弹性受力部件◈◈★,在此硅片的受力部位◈◈★,沿不同的晶向制作四个P型扩散电阻◈◈★,然后用这四个电阻构成四臂惠斯登电桥◈◈★,在外力作用下电阻值的变化就变成电信号输出◈◈★。这个具有压力效应的惠斯登电桥是压力传感器的心脏◈◈★,通常称作压阻电桥(图1)◈◈★。压阻电桥的特点是◈◈★:①电桥四臂的电阻值相等(均为R0)◈◈★;②电桥相邻臂的压阻效应数值相等◈◈★、符号相反◈◈★;③电桥四臂的电阻温度系数相同◈◈★,又始终处于同一温度下◈◈★。图中R0为室温下无应力时的电阻值◈◈★;墹RT为温度变化时由电阻温度系数(α)所引起的变化◈◈★;墹Rδ为承受应变(ε)时引起的电阻值变化◈◈★;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无关凯发k8娱乐官网app◈◈★,这使传感器的温度漂移大大减小◈◈★。半导体压力传感器中应用最广的是一种检测流体压力的传感器◈◈★。其主要结构是全部由单晶硅材料构成的膜盒(图2)◈◈★。膜片制成杯状◈◈★,杯底是承受外力的部分◈◈★,压力电桥就制作在杯底上面◈◈★。用同样的硅单晶材料制成圆环台座◈◈★,然后把膜片粘结在台座上凯发k8娱乐官网app◈◈★。这种压力传感器具有灵敏度高◈◈★、体积小◈◈★、固体化等优点◈◈★,已在航空◈◈★、宇宙航行◈◈★、自动化仪表和医疗仪器等方面得到广泛应用◈◈★。