《传感器技术与应用》课件-3.4半导体压阻式

传感器技术与应用3.4半导体压阻式传感器半导体电阻应变片是一种利用半导体材料压阻效应的电阻型传感器。1.半导体压阻效应半导体材料在某一方向受到作用力时，它的电阻率会发生明显变化，这种现象被称为压阻效应，由压阻系数表示。

半导体的压阻效应具有明显的各项异性，可用矩阵表示，这里我们不讨论半导体的晶向表示方法，只用结论。XYZFF施力方向和电流方向相同，称纵向压阻系数πl

;1.半导体压阻效应压阻系数π随应力的方向和电流方向不同而不同施力方向和电流方向垂直时，称横向压阻系数πe。严格讲压阻系数共有四阶张量

π（ijkl），81个分量。硅膜很薄时三维向量简化为二维，应力作用下膜片电阻变化近似只与纵向和横向应力有关，为：半导体的电阻取决于有限数量的载流子（空穴、电子）迁移率，加在一定单晶向的外应力引起半导体能带变化，使载流子的迁移率发生大的变化，使电阻率有很大变化。XYZFF

半导体的电阻率变化与压阻系数π有如下关系：1.半导体压阻效应

可见半导体应变片灵敏系数k0主要由电阻率的变化引起的。半导体压阻传感器的灵敏度k0

比金属应变片大50～100倍；

半导体硅材料压阻系数为

半导体硅材料弹性模量为半导体灵敏系数中半导体的电阻率变化大于材料的几何形状变化1.半导体压阻效应半导体器件体积小便于集成，但是半导体元件对温度变化敏感，这在很大程度上限制了半导体应变片的应用。气体压力测量，与金属膜片式压力传感器原理相同，不同的是硅杯上的硅膜片利用集成电路工艺扩散了四个阻值相等的电阻，构成应变电桥。膜片两边存在压差时就有压力作用在膜片上。

气压P高压腔空气硅膜片低压腔硅杯温度传感器扩散电阻硅膜片2.压阻式传感器利用应变测量加速度，传感器弹性元件是硅梁，在硅梁的根部有四个扩散电阻，当硅梁的自由端因加速度受力作用时，惯性使梁弯曲，弯矩产生的应力使四个电阻值发生变化，应变范围在400～500με。

应变测量

将半导体条制作成敏感元件粘贴在被测试件上。2.压阻式传感器压阻式传感器应用领域：航空工业，发动机进气处的动压；生物医学，体内压力测量，心、颅、眼等；兵器工业，枪炮腔内压力，爆炸力，冲击波测量；防爆检测，压阻传感器所需电流小，在可燃气体许可值之下，是理想的防爆压力传感器。微型硅压力传感器2.压阻式传感器压阻式传感器有许多优点：频率响应高，f0可达1.5M；体积小、耗电少、灵敏度高，可测量到0.1%的精确度；无运动部件。压阻式传感器缺点：温度特性差；工艺复杂；普通压阻式压力传感器属于简单传感器；近年单片集成硅压力传感器进入市场，单片集成硅压力传感器，英文缩写ISP（IntegratedSiliconPressure），内部除传感器单元外，增加了信号调理、温度补偿、压力修正等电路。MPX压力传感器引脚与封装温度补偿第一级放大第二级放大模拟输出U0USGND传感器电阻式扩散硅压敏集成传感器3.硅压阻式传感器热塑壳内部有密封真空塞，提供参考压力，当垂直方向受到压力时，将检测压力P与真空压力P0相比较，输出电压正比于绝对压力，输出电压与绝对压力的关系曲线在20～100kPa范围成正比关系，超出范围后U0

基本不随压力P