什么是半导体应变计?

[拼音]：bandaoti yingbianji

[外文]：semiconductor straingauge

利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，又称半导体应变片。压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象（见压阻式传感器）。半导体应变片需要粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在d性敏感元件上间接地感受被测外力。利用不同构形的d性敏感元件可测量各种物体的应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械量。半导体应变片与电阻应变片(见电阻应变计)相比，具有灵敏系数高（约高 50～100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少等优点。P型和N型硅的灵敏系数符号相反，适于接成电桥的相邻两臂测量同一应力。早期的半导体应变计采用机械加工、化学腐蚀等方法制成，称为体型半导体应变计。它的缺点是电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大等。这曾限制了它的应用和发展。自70年代以来，随着半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现扩散型、外延型和薄膜型半导体应变计，上述缺点得到一定克服。半导体应变计主要应用于飞机、导d、车辆、船舶、机床、桥梁等各种设备的机械量测量。

这种半导体应变计是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体应变计可分为6种。

（1）普通型:它适合于一般应力测量；

（2）温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；

（3）灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；

（4）高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧）,可接成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。

（5）超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；

（6）P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。

这种应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制成的（图1）。它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变计。薄膜型半导体应变计吸收了金属应变计和半导体应变计的优点，并避免了它的缺点，是一种较理想的应变计。

这种应变计是将 P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一层极薄的P型导电层,然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成（图2）。它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变计小一个数量级。缺点是由于存在P-N结，当温度升高时,绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。

这种应变计是在多晶硅或蓝宝石的衬底上外延一层单晶硅而制成的。它的优点是取消了P-N结隔离，使工作温度大为提高(可达300℃以上)。

参考书目

袁希光主编：《传感器技术手册》，国防工业出版社，北京，1986。