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[導讀]壓力傳感器在生活中有很多應用,比如某些停車場系統中,便有壓力傳感器的身影。為增進大家對壓力傳感器的認識,本文將對半導體壓力傳感器予以介紹。

壓力傳感器在生活中有很多應用,比如某些停車場系統中,便有壓力傳感器的身影。為增進大家對壓力傳感器的認識,本文將對半導體壓力傳感器予以介紹。通過本文,你將對壓力傳感器以及壓力傳感器的結構有所瞭解。如果你對壓力傳感器具有興趣,不妨繼續往下閲讀哦。

半導體壓力傳感器可分為兩類,一類是根據半導體PN結(或肖特基結)在應力作用下,I-υ特性發生變化的原理製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定,未得到很大的發展。另一類是根據半導體壓阻效應構成的傳感器,這是半導體壓力傳感器的主要品種。早期大多是將半導體應變片粘貼在彈性元件上,製成各種應力和應變的測量儀器。60年代,隨着半導體集成電路技術的發展,出現了由擴散電阻作為壓阻元件的半導體壓力傳感器。這種壓力傳感器結構簡單可靠,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,免除了機械滯後和蠕變,提高了傳感器的性能。

半導體的壓阻效應  半導體具有一種與外力有關的特性,即電阻率(以符號ρ 表示)隨所承受的應力而改變,稱為壓阻效應。單位應力作用下所產生的電阻率的相對變化,稱為壓阻係數,以符號π表示。以數學式表示為 墹ρ/ρ=πσ

式中σ 表示應力。半導體電阻承受應力時所產生的電阻值的變化(墹R/R),主要由電阻率的變化所決定,所以上述壓阻效應的表達式也可寫成成R/R=πσ

在外力作用下,半導體晶體中產生一定的應力(σ)和應變(ε),它們之間的相互關係,由材料的楊氏模量(Y)決定,即 Y=σ/ε

若以半導體所承受的應變來表示壓阻效應,則是 墹R/R=Gε

G 稱為壓力傳感器的靈敏因子,它表示在單位應變下所產生的電阻值的相對變化。

壓阻係數或靈敏因子是半導體壓阻效應的基本物理參數。它們之間的關係正如應力與應變之間的關係一樣,由材料的楊氏模量決定,即 G=πY

由於半導體晶體在彈性上各向異性,楊氏模量和壓阻係數隨晶向而改變。半導體壓阻效應的大小,還與半導體的電阻率密切有關,電阻率越低靈敏因子的數值越小。擴散電阻的壓阻效應由擴散電阻的晶體取向和雜質濃度決定。雜質濃度主要是指擴散層的表面雜質濃度。

常用的半導體壓力傳感器選用N 型硅片作為基片。先把硅片製成一定幾何形狀的彈性受力部件,在此硅片的受力部位,沿不同的晶向製作四個P型擴散電阻,然後用這四個電阻構成四臂惠斯登電橋,在外力作用下電阻值的變化就變成電信號輸出。這個具有壓力效應的惠斯登電橋是壓力傳感器的心臟,通常稱作壓阻電橋(如圖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數值相等、符號相反;③電橋四臂的電阻温度係數相同,又始終處於同一温度下。圖1中R0為室温下無應力時的電阻值;墹RT為温度變化時由電阻温度係數(α)所引起的變化;墹Rδ為承受應變(ε)時引起的電阻值變化;電橋的輸出電壓為 u=I0墹Rδ=I0RGδ  (恆流源電橋)

式中I0為恆流源電流, E為恆壓源電壓。壓阻電橋的輸出電壓直接與應變(ε)成正比,與電阻温度係數引起的RT無關,這使傳感器的温度漂移大大減小。半導體壓力傳感器中應用最廣的是一種檢測流體壓力的傳感器。其主要結構是全部由單晶硅材料構成的膜盒(如圖2)。膜片製成杯狀,杯底是承受外力的部分,壓力電橋就製作在杯底上面。用同樣的硅單晶材料製成圓環台座,然後把膜片粘結在台座上。這種壓力傳感器具有靈敏度高、體積小、固體化等優點,已在航空、宇宙航行、自動化儀表和醫療儀器等方面得到廣泛應用。

以上便是此次小編帶來的“壓力傳感器”相關內容,通過本文,希望大家對半導體壓力傳感器以及半導體壓力傳感器的結構具備一定的瞭解。如果你喜歡本文,不妨持續關注我們網站哦,小編將於後期帶來更多精彩內容。最後,十分感謝大家的閲讀,have a nice day!

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