半导体压阻式压力传感器 半导体压力传感器原理及结构

半导体压力传感器原理及结构

　　半导体压力传感器原理

　　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 墹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。

　　半导体压力传感器结构

　　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（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（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。

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一文了解压阻式传感器的原理、特点及其应用类型

压阻式传感器 piezoresistance type transducer 是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

压阻式传感器的应用

压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如，用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达 500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达 0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

单个传感器直径仅 2.36 毫米，固有频率高达 300 千赫，非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到 10 微米，外径仅 0.5 毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。图 3 是一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。

压阻式传感器的典型特点是什么

①压阻式传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大 50-100 倍。有的时候压阻式传感器的输出不需要放大器就可直接进行测量。

②由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。

③压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压。

④频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。

⑤由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。

⑥由于采用半导体材料硅制作，传感器对温度比较敏感，如不采用温度补偿，其温度误差较大。

压阻式传感器为什么会产生温度误差？如何补偿？

压阻式传感器有两种类型：一类是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，形成半导体应变式传感器；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，构成敏感元件，称为扩散型压阻式传感器。

压阻式传感器受温度影响较大，会产生零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。

压阻式传感器中，扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。

传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的。当温度升高时，压阻系数变小，传感器灵敏度要降低，反之，则灵敏度升高。

零位温漂一般可用串、并联电阻的方法进行补偿。

灵敏度温漂通过在电桥的电源回路中串联二极管来补偿。

另外，压阻式传感器也可将四个扩散电阻接成全桥，为了减小温度的影响，可采用恒流源供电。

可见，电桥的输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，也与电源电流成正比，输出电压与恒流源电流的大小和精度有关，但与温度无关，所以恒流源有很好的温度补偿作用。

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