半導體壓力感測器

半導體壓力感測器可分為兩類，一類是根據半導體PN結（或肖特基結）在應力作用下, I- υ特性發生變化的原理製成的各種壓敏二極體或晶體管。這種壓力敏感元件的性能很不穩定，未得到很大的發展。另一類是根據半導體壓阻效應構成的感測器，這是半導體壓力感測器的主要品種。早期大多是將半導體應變片粘貼在彈性元件上，製成各種應力和應變的測量儀器。60年代，隨著半導體集成電路技術的發展，出現了由擴散電阻作為壓阻元件的半導體壓力感測器。這種壓力感測器結構簡單可靠，沒有相對運動部件，感測器的壓力敏感元件和彈性元件合為一體，免除了機械滯后和蠕變，提高了感測器的性能。

半導體的壓阻效應 半導體具有一種與外力有關的特性，即電阻率（以符號 ρ 表示）隨所承受的應力而改變，稱為壓阻效應。單位應力作用下所產生的電阻率的相對變化，稱為壓阻係數，以符號 π表示。以數學式表示為 墹 ρ/ ρ= πσ

式中 σ 表示應力。半導體電阻承受應力時所產生的電阻值的變化(墹 R/ R)，主要由電阻率的變化所決定，所以上述壓阻效應的表達式也可寫成 墹 R/ R= πσ

在外力作用下，半導體晶體中產生一定的應力( σ)和應變( ε)，它們之間的相互關係，由材料的楊氏模量( Y)決定，即 Y= σ/ ε

若以半導體所承受的應變來表示壓阻效應，則是 墹 R/ R= Gε

G 稱為壓力感測器的靈敏因子，它表示在單位應變下所產生的電阻值的相對變化。

壓阻係數或靈敏因子是半導體壓阻效應的基本物理參數。它們之間的關係正如應力與應變之間的關係一樣，由材料的楊氏模量決定，即 G= πY

由於半導體晶體在彈性上各向異性，楊氏模量和壓阻係數隨晶向而改變。半導體壓阻效應的大小，還與半導體的電阻率密切有關，電阻率越低靈敏因子的數值越小。擴散電阻的壓阻效應由擴散電阻的晶體取向和雜質濃度決定。雜質濃度主要是指擴散層的表面雜質濃度。

常用的半導體壓力感測器選用N 型矽片作為基片。先把矽片製成一定幾何形狀的彈性受力部件，在此矽片的受力部位，沿不同的晶向製作四個P型擴散電阻，然後用這四個電阻構成四臂惠斯登電橋，在外力作用下電阻值的變化就變成電信號輸出。這個具有壓力效應的惠斯登電橋是壓力感測器的心臟，通常稱作壓阻電橋（圖1）。壓阻電橋的特點是：①電橋四臂的電阻值相等（均為 R0）；②電橋相鄰臂的壓阻效應數值相等、符號相反；③電橋四臂的電阻溫度係數相同，又始終處於同一溫度下。圖中 R0為室溫下無應力時的電阻值；墹 RT為溫度變化時由電阻溫度係數( α)所引起的變化；墹 Rδ為承受應變( ε)時引起的電阻值變化；電橋的輸出電壓為 u= I0墹 Rδ= I0 RGδ (恆流源電橋)

式中 I0為恆流源電流， E為恆壓源電壓。壓阻電橋的輸出電壓直接與應變( ε)成正比，與電阻溫度係數引起的 RT無關，這使感測器的溫度漂移大大減小。半導體壓力感測器中應用最廣的是一種檢測流體壓力的感測器。其主要結構是全部由單晶硅材料構成的膜盒（圖2）。膜片製成杯狀，杯底是承受外力的部分，壓力電橋就製作在杯底上面。用同樣的硅單晶材料製成圓環台座，然後把膜片粘結在台座上。這種壓力感測器具有靈敏度高、體積小、固體化等優點，已在航空、宇宙航行、自動化儀錶和醫療儀器等方面得到廣泛應用。