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半導(dǎo)體壓力傳感器
閱讀�3463�(shí)間:2017-07-05 11:20:53

    由半�(dǎo)體壓力敏感元件構(gòu)成的傳感�。對(duì)壓力、應(yīng)變等�(jī)械量�(jìn)行信息處理的必要條件是把�(jī)械量�(zhuǎn)換成電學(xué)�,這種�(jī)-電變換裝置就是壓力傳感器�

�(jiǎn)�

    半導(dǎo)體壓力傳感器可分為兩�,一類是根據(jù)半導(dǎo)體PN�(jié)(或肖特基結(jié))在�(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�(wěn)�,未得到很大的發(fā)�。另一類是根據(jù)半導(dǎo)體壓阻效�(yīng)�(gòu)成的傳感器,這是半導(dǎo)體壓力傳感器的主要品�。早期大多是將半�(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在彈性元件上,制成各種應(yīng)力和�(yīng)變的�(cè)�?jī)x��60年代,隨著半�(dǎo)體集成電路技�(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了由�(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)�(gòu)�(jiǎn)單可�,沒有相�(duì)�(yùn)�(dòng)部件,傳感器的壓力敏感元件和彈性元件合為一�,免除了�(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�,即電阻率(以符�(hào)ρ 表示)隨所承受的應(yīng)力而改�,稱為壓阻效�(yīng)。單位應(yīng)力作用下所�(chǎn)生的電阻率的相對(duì)變化,稱為壓阻系�(shù),以符�(hào)π表示。以�(shù)�(xué)式表示為 墹�/ρ=πσ

    式中σ 表示�(yīng)�。半�(dǎo)體電阻承受應(yīng)力時(shí)所�(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�(yīng)的表�(dá)式也可寫� 墹R/R=πσ

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

    若以半導(dǎo)體所承受的應(yīng)變來(lái)表示壓阻效應(yīng),則� 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�(chǎn)生的電阻值的相對(duì)變化�

    壓阻系數(shù)或靈敏因子是半導(dǎo)體壓阻效�(yīng)的基本物理參�(shù)。它們之間的�(guān)系正如應(yīng)力與�(yīng)變之間的�(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�,楊氏模量和壓阻系數(shù)隨晶向而改�。半�(dǎo)體壓阻效�(yīng)的大�,還與半�(dǎo)體的電阻率密切有�(guān),電阻率越低靈敏因子的數(shù)值越�。擴(kuò)散電阻的壓阻效應(yīng)由擴(kuò)散電阻的晶體取向和雜�(zhì)濃度決定。雜�(zhì)濃度主要是指�(kuò)散層的表面雜�(zhì)濃度�

�(jié)�(gòu)

    常用的半�(dǎo)體壓力傳感器選用N 型硅片作為基�。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�,沿不同的晶向制作四�(gè)P型擴(kuò)散電�,然后用這四�(gè)電阻�(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�(gè)具有壓力效應(yīng)的惠斯登電橋是壓力傳感器的心�,通常稱作壓阻電橋(圖1��

    壓阻電橋的特�(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�(yīng)�(shù)值相�、符�(hào)相反;③電橋四臂的電阻溫度系�(shù)相同,又始終處于同一溫度��

    圖中R0為室溫下�(wú)�(yīng)力時(shí)的電阻�;墹RT為溫度變化時(shí)由電阻溫度系�(shù)(α)所引起的變化;墹Rδ為承受應(yīng)�(ε)�(shí)引起的電阻值變�;電橋的輸出電壓� u=I0墹Rδ=I0RGδ  (恒流源電�)

    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)�(ε)成正比,與電阻溫度系�(shù)引起的RT�(wú)�(guān),這使傳感器的溫度漂移大大減小。半�(dǎo)體壓力傳感器中應(yīng)用最廣的是一種檢�(cè)流體壓力的傳感器。其主要�(jié)�(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�。用同樣的硅單晶材料制成圓環(huán)�(tái)�,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�、體積小、固體化等優(yōu)�(diǎn),已在航空、宇宙航�、自�(dòng)化儀表和�(yī)療儀器等方面得到廣泛�(yīng)��

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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