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半导体压力传感器原理_半导体压力传感器结构

发布日期:2020-11-15 19:26

  半导体压力传感器可分为两类,一类是根据半导体PN结(或肖特基结)在应力作用下,I-特性发生变化的原理制成的各种压敏二极管或晶体管。这种压力敏感元件的性能很不稳定,未得到很大的发展。另一类是根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主要品种。早期大多是将半导体应变片粘贴在弹性元件上,制成各种应力和应变的测量仪器。60年代,随着半导体集成电路技术的发展,出现了由扩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简单可靠,没有相对运动部件,传感器的压力敏感元件和弹性元件合为一体,免除了机械滞后和蠕变,提高了传感器的性能。

  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 表示)随所承受的应力而改变,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,以符号表示。以数学式表示为 墹/=

  式中 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=

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

  若以半导体所承受的应变来表示压阻效应,则是 墹R/R=G

  G 称为压力传感器的灵敏因子,它表示在单位应变下所产生的电阻值的相对变化。

  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=Y

  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,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。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()所引起的变化;墹R为承受应变()时引起的电阻值变化;电桥的输出电压为 u=I0墹R=I0RG (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()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。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。

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