第三節 壓阻式傳感器

由于金屬電阻應變式傳感器的靈敏系數較低（約為2.0～3.6），在20世紀50年代中期出現了半導體應變片制成的壓阻式傳感器，其靈敏系數比金屬電阻式傳感器高幾十倍，而且具有體積小、分辨率高、工作頻帶寬、機械遲滯小、傳感器與測量電路可實現一體化等優點，因此在實際中得到了廣泛的應用。

一、工作原理

半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。壓阻效應是指半導體材料當某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發生變化的現象。

當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為

式中，dρ/ρ為半導體應變片的電阻率相對變化量，其值與半導體敏感元件在軸向所受的應變力有關，其關系為

式中，π為半導體材料的壓阻系數；σ為半導體材料所受的應力；E為半導體材料的彈性模量；ε為半導體材料的應變。

將式（2-62）代入式（2-61）中，得

實驗證明，對于半導體材料，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，于是式（2-63）可寫為

因此，半導體應變片的靈敏系數為

可見，當半導體應變片受到外界應力的作用時，其電阻（率）的變化與所受應力的大小成正比，這就是壓阻式傳感器的工作原理。

二、結構及特點

一般半導體應變片是沿所需的晶向將硅單晶體切成條形薄片，厚度約為（0.05～0.08）mm，在硅條兩端先真空鍍膜蒸發一層黃金，再用細金絲分別與兩電極焊接。硅條是感壓部分，基底起支撐和絕緣作用，采用膠膜材料，電極一般用康銅箔，外引線用鍍銀銅線。如圖2-31所示為一種條形半導體應變片。為提高靈敏度，除應用單條應變片外，還有制成柵形的。

用于制作半導體應變片的半導體材料主要有：硅、鍺、銻化銦及砷化鎵等，其中最常用的是硅和鍺。在硅和鍺中摻進元素硼、鋁、鎵、銦等雜質，可以形成P型半導體；如摻進磷、銻、砷等，則形成N型半導體。摻入雜質的濃度越大，半導體材料的電阻率就越低。由于半導體（如單晶硅）是各向異性材料，因此它的壓阻效應不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關，還與晶向有關，即對晶體的不同方向上施加力時，其電阻的變化方式不同。

對于不同的半導體，壓阻系數和彈性模量都不一樣，所以靈敏系數也各不相同，但總的來說，壓阻式傳感器的靈敏系數大大高于金屬電阻應變片的靈敏系數，大約是后者的50～100倍。

壓阻式傳感器優點是：①靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大即可直接用于測量；②分辨率高，例如測量壓力時可測出（10～20）Pa的微壓；③測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高；④應變的橫向效應和機械滯后極??；⑤可測量低頻加速度和直線加速度。

壓阻式傳感器的主要不足是：①溫度穩定性差，即電阻值會隨溫度而變化；②靈敏度的非線性較大，可造成測量體具有±（3%～5%）的誤差。因此壓阻式傳感器在使用時需采用溫度補償和非線性補償等措施。

三、典型應用

（一）壓阻式壓力傳感器

壓阻式固態壓力傳感器由外殼、硅膜片和引線組成，結構示意圖如圖2-32所示。其核心部分是一塊圓形的膜片，在膜片上利用集成電路的工藝擴散4個阻值相等的電阻，構成電橋。膜片的四周用一圓環固定，常用硅杯一體結構，如圖2-33所示，以減小膜片與基座連接所帶來的性能變化。膜片的兩邊有兩個壓力腔，一個是和被測系統相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點存在應力。4個電阻在應力作用下阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓。該電壓和膜片的兩邊壓力差成正比，這樣測得不平衡電橋的輸出電壓就能求得膜片所受的壓力差。

硅杯膜片上傳感器的配置位置需要按膜片上徑向應力σ_r和切向應力σ_t的分布情況確定，即

設計時，適當安排電阻的位置，可以組成差動電橋。

（二）壓阻式加速度傳感器

如圖2-34所示為一個壓阻式加速度傳感器，它的懸臂梁直接用單晶硅制成，在懸臂梁的自由端裝有敏感質量塊，在梁的根部，4個擴散電阻采用平面擴散工藝技術擴散在其兩面。

當懸臂梁自由端的質量塊受到外界加速度作用時，將感受到的加速度轉變為慣性力，使懸臂梁受到彎矩作用，產生應力。這時硅梁上4個電阻條的阻值發生變化，使電橋產生不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。

固態壓阻式加速度傳感器的頻率動態響應好，結構比較簡單，體積小，精度高，靈敏度高，長期穩定性好，滯后和蠕變小，便于生產，成本低。