半導(dǎo)體壓力傳感器原理及結(jié)構(gòu)

　　半導(dǎo)體壓力傳感器原理

　　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，沒有相對運動部件，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)的表達式也可寫成 墹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。擴散電阻的壓阻效應(yīng)由擴散電阻的晶體取向和雜質(zhì)濃度決定。雜質(zhì)濃度主要是指擴散層的表面雜質(zhì)濃度。

　　半導(dǎo)體壓力傳感器結(jié)構(gòu)

　　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P型擴散電阻，然后用這四個電阻構(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輸出。這個具有壓力效應(yīng)的惠斯登電橋是壓力傳感器的心臟，通常稱作壓阻電橋（圖1）。壓阻電橋的特點是：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。圖中R0為室溫下無應(yīng)力時的電阻值；墹RT為溫度變化時由電阻溫度系數(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（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)臺座，然后把膜片粘結(jié)在臺座上。這種壓力傳感器具有靈敏度高、體積小、固體化等優(yōu)點，已在航空、宇宙航行、自動化儀表和醫(yī)療儀器等方面得到廣泛應(yīng)用。