什么是半导体压力传感器?

[拼音]：bandaoti yali chuanganqi

[外文]：semiconductor pressure sensor

由半导体压力敏感元件构成的传感器。对压力、应变等机械量进行信息处理的必要条件是把机械量转换成电学量，这种机-电变换装置就是压力传感器。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d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d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d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。

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d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，

或


(恒压源电桥)

式中 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。