简述半导体应变计变阻原理

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(见电阻应变片相比，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。早期的半导体应变片采用机械加工、化学腐蚀等方法制成，称为体型半导体应变片。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片，上述缺点得到一定克服。半导体应变片主要应用于飞机、导d、车辆、船舶、机床、桥梁等各种设备的机械量测量。

金属应变计的工作机理是所谓几何效应：当应变计拉长时，则其截面积减小，从而造成电阻增大。金属应变计主要是采用康铜之类的Cu-Ni合金来制作，往往采用弯曲的条状结构。这种应变计在较小的功耗下具有较大的灵敏度和较大的电阻。

半导体应变计的工作机理，除了几何效应以外，还有更为重要的所谓压阻效应(压电效应)：当应变计拉长或者缩短时，半导体的载流子迁移率将发生变化，则导致电阻变化。半导体应变计主要是采用Si来制作，常常采用扩散或者离子注入式的结构，这与IC工艺兼容。这种应变计具有较好的温度稳定性、更好的线性度、更大的应变范围和使用灵活（如易于附着在弯曲表面上）。为了提高灵敏度和线性度，往往采用p型半导体（不用n型半导体）；而且为了提高温度稳定性，多半采用高掺杂半导体（1020cm-3，但要折中考虑灵敏度）。

在应力作用下，应变计的长度L、面积A和电阻率ρ都将发生变化，这就造成电阻R发生变化，其电阻变化率为

ΔR/R = (ΔL/L)-(ΔA/A)+(Δρ/ρ) = e(1+2n+P)

式中e=ΔL/L是应变，n是Poisson比，P是表征压阻效应大小性能的参量（称为量规因子，P = (Δρ/ρ)/(ΔL/L) ）。

根据半导体压阻效应，对于p型Si的[110]晶向的压阻应变计有Δρ/ρ ≈ σL Y eL，则得到：

P = (ΔR/R)/(ΔL/L) ≈ (Δρ/ρ)/e ≈ Y σL

其中的σL是纵向（沿着[110]晶向）的压阻系数，Y是杨氏d性模量。

在一定应变下，电阻的变化越大，应变计的灵敏度也就越高，因此可把单位应变时的DR/R定义为应变灵敏度G，即有：

G = (ΔR/R)/e = 1+2n+P

量规因子P越大，压阻应变计的灵敏度就越高。对于p型Si[110]压阻应变计，因为σL≈72×10-11Pa-1，Y≈170GPa，则得到P≈122；而对于金属的压阻应变计，则量规因子很小，只有P≈1.7。因此见到，半导体压阻应变计的灵敏度要远高于金属应变计。

挖掘机压力传感器作用详解

挖掘机压力传感器介绍

力敏传感器是使用最广泛的一种传感器，它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。力敏传感器的种类甚多、传统的测量方法是利用d性元件的形变和位移来表示，但它的体积大、笨重、输出非线性。随着微电子技术的.发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的d性，研制出半导体力敏传感器，主要有硅压阻式和电容式两种，它们具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，因此半导体力敏传感器得到广泛应用。当对一块半导体在某一晶向上施加应力时，其电阻率会产生一定的变化。这种导体电阻率变化和应力之间的相互关系称为半导体压阻效应，利用此效应制成的力学量传感器称为压阻式力敏传感器，它有两种类型，一类是将半导体应变计粘贴在d性元件上制成的传感器，称为粘贴型压阻式传感器，另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，使应变计与硅衬底形成同一整体的传感器，称为抓散型压阻式传感器。

粘贴型压阻式力敏传感器由四只半导体应变片接成全桥形式，用粘合剂贴在d性元件上构成，它具有很高的应变灵敏系数，一般为20~200，因此输出高，输出灵敏度一般15~0mV/V，但易发生零点漂移与蠕变，同时还存在半导体应变片和d性元件热膨胀所带来的温度漂移等影响。扩散型压阻式力敏传感器大都采用单晶硅和半导体平面工艺制成的。一般以 N型硅为衬底，采用氧化、扩散等工艺将硼原子沿给定的晶向扩散到n 型硅衬底材料中，形成P 型扩散层。

结果硼扩散区便形成应变电阻，并用衬底形成一个整体，当它受到压力作用时，应变电阻发生变化，从而使输出发生变化。

玉阻式力敏传感器有灵敏度高、精度高、体积小、重量轻、工作频率高、结构简单、工作可靠、寿命长等特点。

电容式力敏传感器近来得到了迅速发展，这种传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定。

当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，电容器极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化。这样，电容变化量与压差有关，因此，就可作为力敏传感器。它与压阻式力敏传感器相比，具有灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点。

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