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1、2.2 压阻式传感器2.2.1 半导体应变片 2.2.2 压阻式传感器2.2.1 半导体应变片半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为该材料的压阻效应 。有材料在某种程度上都呈现压阻现象，但半导体材料的这种效应特别显 著，能直接反映出微小的应变。半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载 流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。1 应变片 2 半导体敏感 条3 外引线 4 引线连接片5 内引线v 体形半导体应变片的结构形状v 半导体应变片的制
2、作方法1.将半导体材料按所需晶向切割成片或条 ，粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感 栅使用，称作“体型半导体应变片”。2.将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。优点：尺寸、横向效应和机械滞后都很小，灵敏度高，频率响应 范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使 用，使测量系统简单，分辨率高。缺点：温度系数大，测量较大应变时非线性比较严重。v 半导体电阻应变片的测量电路一般采用直流电桥电路，但须采用温度补偿措施，如图所示。2.2.2 压阻式传感器 半导体硅有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应。利用半导体硅的 压阻效应和集成电路技
3、术制成的力传感器，具有灵敏度高、动态响应快、 工作温度范围宽、稳定性好、易集成化等一系列优点，因此应用日益广泛 。早期的硅压力传感器是半导体应变片式的，是金属应变片的延伸；是 利用半导体比金属高的灵敏系数，代替合金材料，把硅片或其制成的芯片 粘贴在弹性体上，但没脱离应变片的模式。70年代，采用集成电路技术研 制的扩散型压阻式传感器（或称固态压阻式传感器），克服了粘贴带来较 大的滞后和蠕变以及固有频率较低和集成化困难的缺点，而且把应变电阻 条和误差补偿、信号调整等电路集成在一块硅片上。 （1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理（3）压阻式传感器的温度漂移 （4）压阻式传感器的应
4、用（1）半导体材料的压阻系数 材料电阻的变化为对半导体材料， ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化 可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即由半导体理论可知，硅和锗的纵向电阻率的相对变化L 沿晶向L的压阻系数（m2N）；沿晶向L的应力（Nm2）；E 半导体材料的弹性模量（Nm2）；轴向应变。半导体材料的应变灵敏系数 如半导体硅，L =（4080）10-11 m2N，E = 1.671011Nm2 ，则KB = 50100。远比金属应变片灵敏系数 K = 2 大得多。 由于半导体材料的晶体各向异性，在应力作用下，晶格 变形，使能带结构变化，载流子浓度和迁移率变化，即硅半 导体的压阻
5、效应与晶向有关。影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和 环境温度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂 质浓度相同时，P 型硅的压阻系数比 N 型硅的（绝对）值高 ，因此选 P 型硅有利于提高敏感器件的灵敏度。 用于制作半导体传感器的半导体材料主要有：硅、锗、 锑化铟、磷化铟、砷化镓等，其中最常用的是硅和锗。 扩散型压阻式传感器一般简称为：压阻传感器、扩散硅 。（2）扩散型压阻式传感器的组成和工作原理 组成：扩散型压阻式传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件 是一个周边固定支承的硅敏感膜片，即硅压阻芯片，因形状象杯故名硅杯。 上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻
6、条，经蒸镀金属电极及连线， 接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连 接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。 工作原理：当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻 的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜 片所受压力差值。 (a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。（3）压阻式传感器的温度漂移 由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。 零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的。扩散电阻的温度系数因扩散表面杂
7、质浓度不同导致薄层电阻大小各异而 不一样。但工艺上难于做到四个 P 型桥臂电阻的温度系数完全相同，则不可避免产生温度变化时，无外力作用仍有电阻值的变化。 灵敏度温度漂移是因为压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压阻系数变小，则灵敏度下降。所以，压阻传感器使用时必须进行温度补偿。（4）压阻式传感器的应用压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化， 已有直径为0.8mm的压力传感器。 恒流工作测压电路Dz1(LM385)稳定电 压2.5V，作为传感器提 供1.5mA恒流的基准电 压， R2上电压也为2.5V（集成运放
8、的输出电压 为有限值时，输入差模 电压趋于0，v v）。传感器为需恒流1.5mA驱 动的扩散硅绝对压力传感器。 恒压工作测压电路TL499将电池的9V电压提升 为15V，经运放A4变为 7.5V， 7.5V作为电桥恒压 源， 7.5V并为Rp2供电 压力控制电路须将油压控制在4.05.0MPa范围内，对应A1的输出为3.334.17V 。 A2 、A3为电平比较器， Uo 3.33V时， A2输出高电平； Uo 4.17V时， A3输出低电平。 A2 、A3都为高电平时，油压才正常；油压过低时， A2输出低电平， J1改变状态，报警并 可启动油泵加压 ； A3输出低电平 ，J2改变状态，报警并
9、可停止油 泵加压。 水深测量仪 水的深度不同，其压力也 不同，水的压力随水的深度呈 线性变化。这样只要能测得水 的压力，便可知水的深度，水 深测量仪就是根据这一原理制 成的。水深测量仪的工作原理如 图所示。压阻式压力传感器设 置在测量探头的中央，其感压 膜正对进水压力通道。使用时 将探头投入水中，传感器便可 测得水的压力而输出电压，该 电压经测试仪表的转换，便可 直接从显示器上读出水的深度 。 压阻式加速度计其结构和 金属丝(箔)应变式加速度计相 类似。这里是用硅梁代替金属 梁，直接在硅梁上扩散四个应 变电阻。这种结构的优点是体积小、灵敏度高、滞后小、蠕变小 ，具有良好的线性和稳定性， 频率范
10、围从DC到几十千赫。 压阻式加速度计应变传感器在衡器中的应用 用于衡器的传感器一般有电阻应变片、弹性金属结构传感器等。自 从1983年将电阻应变片用于商用计价秤后，已逐渐取代传统的机械式案 秤和光栅式码盘秤。这种电阻应变式计价秤的称重误差已可做到小于满 量程的0.02。 下面介绍用电阻应变片的电子秤 结构、工作原理和有关电路。采用 S 形双弯曲悬梁应变测力传 感器，和单片机相结合构成数字式电 子秤的核心，可具有零点跟踪、非线 性校正、精度选择、称重、去皮重、 累计、显示、打印等多种功能。 (a)小数点显示电路 (b)手提电子称电路图A1、A2 ：对称的同向放大器。ICL7106：是 Maixm 公司产3 1/2 位A/D转换器 。可直接驱动七段数字显示表，输入模拟量，然后显示（LCD/LED）。
