半導體壓力傳感器分為半導體PN結(或肖特結)在應力作用下I-特性變化的原理制作的各種壓敏二極管和晶體管。這種壓力敏感元件的性能非常不穩定,沒有得到很大的發展。另一種是基于半導體壓阻效果的傳感器,是半導體壓力傳感器的主要品種。早期,大多數半導體應變片粘貼在彈性元件上,形成各種應力和應變測量儀器。1960年代,隨著半導體集成電路技術的發展,出現了半導體壓力傳感器,以擴散電阻為壓力部件。這種壓力傳感器結構簡單可靠,沒有相對的運動部件,傳感器的壓力敏感部件和彈性部件融為一體,避免了機械滯后和蠕變,提高了傳感器的性能。
半導體抗壓效果半導體具有與外力相關的特性,即阻力率(用符號鋯表示)隨承受的應力而變化,稱為抗壓效果。單位應力下產生的阻力率的相對變化稱為阻力系數,用符號π表示。以數學形式表示α/α=σ。
官方中σ表示應力。半導體阻力受應力時產生的阻力值的變化(壹R/R)主要由阻力率的變化決定,因此上述阻力效應的表現形式也可以寫成壹R/R=πσ。
在外力的作用下,半導體晶體產生一定的應力(σ)和應變(?),其關系由材料的楊氏模量(y)決定,即Y=σ/◎。
半導體承受的應變表示阻力效果時,為壹R/R=G穴位。
G是壓力傳感器的敏感因子,代表單位應變引起的電阻值的相對變化。
壓力系數或敏感因素是半導體壓力效應的基本物理參數。就像應力和應變關系一樣,它們之間的關系取決于材料的楊氏模量,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體方向而變化。半導體的阻力效果也與半導體的阻力率密切相關,阻力率越低,靈敏度越小。暖氣片的壓阻效果取決于暖氣片的晶體方向和雜質濃度。雜質濃度主要指散熱器表面的雜質濃度。
常用的半導體壓力傳感器使用n型硅片作為基材。首先,硅片制成一定幾何形狀的彈性受力部件。在這個硅片的受力部分,沿著不同的結晶制造4個p型擴散電阻,用這4個電阻構成4個臂惠斯登橋。在外力的作用下,阻值的變化變為電信號輸出。這種具有壓力效應的惠斯登電橋是壓力傳感器的心臟,通常稱為壓力電橋。壓力橋架的特點是①橋架四臂電阻值相等(均為R0)②橋架相鄰臂架的壓力效應值相等,符號相反③橋架四臂電阻溫度系數相同,始終處于同一溫度。R0為室溫下無應力時的電阻值;RT為溫度變化時的電阻溫度系數(α)變化;△R為承受應變時引起的阻力值變化;橋梁輸出電壓為u=I0壹=恒流源橋=I0RG(恒流源橋)。
其中I0為恒流源電流,e為恒壓源電壓。壓力電橋的輸出電壓與應變(莪)直接成正比,與阻溫系數引起的RT無關,大大降低了傳感器的溫度漂移。半導體壓力傳感器中應用最廣泛的是檢測流體壓力的傳感器。其主要結構是由單晶硅材料組成的薄膜盒。膜片為杯狀,杯底為外力部分,壓力電橋為杯底。用同樣的硅單晶材料制成環形座椅,將薄膜粘在座椅上。該壓力傳感器具有靈敏度高、體積小、固體化等優點,已廣泛應用于航空、航空、自動儀器、醫療儀器等領域。
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