半导体压力传感器基本原理

半导体压力传感器可分成两大类，一类是依据半导体PN结(或肖特基结)在应力作用下，I-υ特性产生变化的基本原理做成的各种压敏二极管或晶体管。这类压力光敏感元器件的特性很不稳定，未得到较大的发展。另一类是依据半导体压阻效应形成的感应器，它是半导体压力传感器的主要种类。初期大多数是将半导体电阻应变片粘贴在弹性元件上，做成各种应力和应变力的检测仪器。六十年代，伴随着半导体集成电路芯片技术性的发展，出现了由扩散电阻器做为压阻元器件的半导体压力传感器。这类压力传感器构造简易靠谱，沒有相对运动构件，传感器的压力敏感元件和弹性元件合为一体，免去了机械设备落后和应力松弛，提升了传感器的特性。

半导体的压阻效应半导体具备一种与外力相关的特性，即电阻率(以标记ρ表明)随所承担的地力而改变，称之为压阻效应。单位地应力作用下所产生的电阻率的相对变化，称之为压阻系数，以标记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需造成的电阻值的变化(墹R/R)，由电阻的变化所决策，因此以上压阻效应的关系式也可写出墹R/R=πσ

在外力的作用下，半导体结晶中造成一定的地应力(σ)和应变(ε)，他们间的内在联系，由原材料的杨氏模量(Y)决定，即Y=σ/ε

若以半导体所能是承受的应变来表示压阻效应，则是墹R/R=Gε

G称之为压力传感器的灵敏因子，它表示在单位应变力下所造成的阻值的相对变化。

压阻指数或灵巧因素是半导体压阻效应的基本上物理学主要参数。他们间的关联如同地应力与应变间的关联一样，由原材料的杨氏模量决策，即G=πY

因为半导体结晶在弹性上各向异性，杨氏模量和压阻系数随晶向而改变。半导体压阻效应的尺寸，还与半导体的电阻紧密相关，电阻越低灵敏因子的标值越小。扩散电阻的压阻效应由扩散电阻器的结晶趋向和杂质浓度决策。杂质浓度关键就是指扩散层的表层杂质浓度。

半导体压力传感器构造

常见的半导体压力传感器采用N型单晶硅片做为基片。先把硅片做成一定几何图形样子的延展性承受力构件，在这里单晶硅片的承受力位置，沿不同的晶向制做四个P型扩散电阻，随后用这四个电阻组成四臂惠斯登电桥，在外力的作用下阻值的变化就变为电信号输出。这一具备压力效应的惠斯登电桥是压力传感器的心脏，一般称之为压阻电桥电路(图1)。压阻电桥电路的特性是：①电桥电路四臂的阻值相同(均为R0);②电桥电路邻近臂的压阻效应标值相同、符号相反;③电桥电路四臂的电阻温度系数同样，又自始至终处在同一溫度下。图上R0为室内温度下无应力时的阻值;墹RT为溫度变化 时由电阻温度系数(α)所引起的变化;墹Rδ为承受应变力(ε)时引起的阻值变化;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，E为恒压源电压。压阻电桥电路的输出电压立即与应变力(ε)正相关，与电阻器温度系数引起的RT无关，这使感应器的溫度漂移大大的减少。半导体压力传感器中运用最广的是一种检验流体压力的传感器。其关键构造是所有由光伏电池原材料组成的膜盒(图2)。膜片做成杯状，杯内是承担外力作用的一部分，压力电桥电路就制做在杯底上边。用一样的硅单晶原材料做成圆形台座，随后把膜片粘接在台座上。这种压力传感器具备灵敏度高、体型小、固体化等优势，已在航空公司、宇宙航行、仪器仪表和医疗设备等方面获得广泛运用。