半导体压力传感器可以分为两种类型,一种是根据半导体PN结(或肖特基结)在应力和I-υ特性的作用下发生变化的原理制造的各种压敏二极管或晶体管。
这种压敏元件的性能非常不稳定,并没有得到很大的发展。
另一种类型是基于半导体的压阻效应的传感器,半导体是半导体压力传感器的主要类型。
在早期,大多数半导体应变计连接到弹性构件上以制造各种应力和应变测量仪器。
在20世纪60年代,随着半导体集成电路技术的发展,出现了具有扩散电阻器作为压阻元件的半导体压力传感器。
压力传感器结构简单可靠,没有相对运动部件。
压敏元件和传感器的弹性元件集成在一起,消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与外力相关的性质,即电阻率(由符号ρ表示)随其经受的应力而变化,称为压阻效应。
由单位应力产生的电阻率的相对变化称为压阻系数,并由符号π表示。
它在数学公式中表示为う/ρ=σσ,其中σ表示应力。
当半导体电阻器受到应力时产生的电阻值(R / R)的变化主要由电阻率的变化决定,因此上述压阻效应的表达式也可写为R / R =πσ在外力作用下,半导体晶体产生一定的应力(σ)和应变(ε),它们之间的关系由材料的杨氏模量(Y)决定,即Y =σ/ε如果应变由半导体的应变表示。
效果是R / R =GεG被称为压力传感器的灵敏度因子,其表示在单位应变下产生的电阻值的相对变化。
压阻系数或灵敏度因子是半导体压阻效应的基本物理参数。
它们之间的关系就像应力和应变之间的关系,它由材料的杨氏模量决定,即G =πY。
由于半导体晶体的各向异性,杨氏模量和压阻系数遵循晶体取向。
更改。
半导体的压阻效应的大小也与半导体的电阻率密切相关。
电阻率越低,灵敏度因子的值越小。
扩散电阻器的压阻效应由扩散电阻器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使用N型硅晶片作为衬底。
首先,将硅晶片制成具有一定几何形状的柔性构件。
沿硅晶片的受力部分中的不同晶体取向形成四个P型扩散电阻器,然后四个臂用于形成四臂惠斯通电源。
在桥中,在外力作用下电阻值的变化成为电信号输出。
这种压力效应惠斯通电桥是压力传感器的核心,通常被称为压阻电桥(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桥梁相邻臂的压阻效应相等,符号相反; 3桥臂四臂温度系数相同,温度始终相同。
在图中,R0是室温下无应力时的电阻值; RT是温度变化时温度系数(α)引起的变化; Rδ是由应变(ε)引起的电阻值的变化;电桥的输出电压为u =I0Rδ=I0RGδ(恒流源电桥),其中I0是恒流源电流,E是恒压源电压。
压阻电桥的输出电压与应变(ε)成正比,与电阻温度系数引起的RT无关,大大降低了传感器的温度漂移。
最广泛使用的半导体压力传感器是检测流体压力的传感器。
它的主要结构是一个完全由单晶硅材料组成的胶囊(图2)。
隔膜制成杯状,杯子的底部是承受外力的部分,压力桥在杯子的底部制成。
环形基座由相同的硅单晶材料制成,然后将膜片结合到基座上。
该压力传感器具有灵敏度高,体积小,凝固等优点,已广泛应用于航空,航天,自动化仪器和医疗器械等领域。