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[导读]压力传感器在生活中有很多应用,比如某些停车场系统中,便有压力传感器的身影。为增进大家对压力传感器的认识,本文将对半导体压力传感器予以介绍。

压力传感器在生活中有很多应用,比如某些停车场系统中,便有压力传感器的身影。为增进大家对压力传感器的认识,本文将对半导体压力传感器予以介绍。通过本文,你将对压力传感器以及压力传感器的结构有所了解。如果你对压力传感器具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

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-υ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ρ 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成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,由材料的杨氏模量(Y)决定,即 Y=σ/ε

若以半导体所承受的应变来表示压阻效应,则是 墹R/R=Gε

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=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,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(如图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1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,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(如图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。

以上便是此次小编带来的“压力传感器”相关内容,通过本文,希望大家对半导体压力传感器以及半导体压力传感器的结构具备一定的了解。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,小编将于后期带来更多精彩内容。最后,十分感谢大家的阅读,have a nice day!

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