何為半導(dǎo)體壓力傳感器?詳細(xì)探討半導(dǎo)體壓力傳感器結(jié)構(gòu)

壓力傳感器在生活中有很多應(yīng)用，比如某些停車場系統(tǒng)中，便有壓力傳感器的身影。為增進(jìn)大家對壓力傳感器的認(rèn)識(shí)，本文將對半導(dǎo)體壓力傳感器予以介紹。通過本文，你將對壓力傳感器以及壓力傳感器的結(jié)構(gòu)有所了解。如果你對壓力傳感器具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

半導(dǎo)體壓力傳感器可分為兩類，一類是根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)(或肖特基結(jié))在應(yīng)力作用下,I-υ特性發(fā)生變化的原理制成的各種壓敏二極管或晶體管。這種壓力敏感元件的性能很不穩(wěn)定，未得到很大的發(fā)展。另一類是根據(jù)半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)構(gòu)成的傳感器，這是半導(dǎo)體壓力傳感器的主要品種。早期大多是將半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，制成各種應(yīng)力和應(yīng)變的測量儀器。60年代，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了由擴(kuò)散電阻作為壓阻元件的半導(dǎo)體壓力傳感器。這種壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單可靠，沒有相對運(yùn)動(dòng)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(jī)械滯后和蠕變，提高了傳感器的性能。

半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 　半導(dǎo)體具有一種與外力有關(guān)的特性，即電阻率(以符號(hào)ρ 表示)隨所承受的應(yīng)力而改變，稱為壓阻效應(yīng)。單位應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的電阻率的相對變化，稱為壓阻系數(shù),以符號(hào)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(shí)所產(chǎn)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(yīng)的表達(dá)式也可寫成成R/R=πσ

在外力作用下,半導(dǎo)體晶體中產(chǎn)生一定的應(yīng)力(σ)和應(yīng)變(ε)，它們之間的相互關(guān)系，由材料的楊氏模量(Y)決定，即 Y=σ/ε

若以半導(dǎo)體所承受的應(yīng)變來表示壓阻效應(yīng)，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(yīng)變下所產(chǎn)生的電阻值的相對變化。

壓阻系數(shù)或靈敏因子是半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的基本物理參數(shù)。它們之間的關(guān)系正如應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系一樣，由材料的楊氏模量決定，即 G=πY

由于半導(dǎo)體晶體在彈性上各向異性，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)的大小，還與半導(dǎo)體的電阻率密切有關(guān)，電阻率越低靈敏因子的數(shù)值越小。擴(kuò)散電阻的壓阻效應(yīng)由擴(kuò)散電阻的晶體取向和雜質(zhì)濃度決定。雜質(zhì)濃度主要是指擴(kuò)散層的表面雜質(zhì)濃度。

常用的半導(dǎo)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(gè)P型擴(kuò)散電阻,然后用這四個(gè)電阻構(gòu)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(hào)輸出。這個(gè)具有壓力效應(yīng)的惠斯登電橋是壓力傳感器的心臟，通常稱作壓阻電橋(如圖1)。壓阻電橋的特點(diǎn)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(yīng)數(shù)值相等、符號(hào)相反;③電橋四臂的電阻溫度系數(shù)相同，又始終處于同一溫度下。圖1中R0為室溫下無應(yīng)力時(shí)的電阻值;墹RT為溫度變化時(shí)由電阻溫度系數(shù)(α)所引起的變化;墹Rδ為承受應(yīng)變(ε)時(shí)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)

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(yīng)變(ε)成正比，與電阻溫度系數(shù)引起的RT無關(guān),這使傳感器的溫度漂移大大減小。半導(dǎo)體壓力傳感器中應(yīng)用最廣的是一種檢測流體壓力的傳感器。其主要結(jié)構(gòu)是全部由單晶硅材料構(gòu)成的膜盒(如圖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(huán)臺(tái)座，然后把膜片粘結(jié)在臺(tái)座上。這種壓力傳感器具有靈敏度高、體積小、固體化等優(yōu)點(diǎn)，已在航空、宇宙航行、自動(dòng)化儀表和醫(yī)療儀器等方面得到廣泛應(yīng)用。

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