《传感器与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第3章 电阻式传感器原理与应用 3.2.5 半导体压阻式传感器

3.2.5半导体压阻式传感器 (1) 半导体的压阻效应 (2 体型半导体应变片 (3)扩散型压阻式压力传感器 4) 压阻式加速度传感器 (5) 测量桥路及温度补偿 返回 下一页

3.2.5 半导体压阻式传感器 • (1) 半导体的压阻效应 • (2) 体型半导体应变片 • (3) 扩散型压阻式压力传感器 • (4) 压阻式加速度传感器 • (5) 测量桥路及温度补偿 返 回 下一页

半导体应变片的特点： 半导体应变片的突出优点： 灵敏系数高，可测微小应变 机械迟滞小，横向效应小 体积小： 频率响应高。 主要缺点： 一是温度稳定性差； 二是灵敏系数的非线性大，所以在使用时需采用温度补偿和非 线性补偿措施

半导体应变片的特点： 半导体应变片的突出优点： 灵敏系数高，可测微小应变； 机械迟滞小，横向效应小； 体积小； 频率响应高。 主要缺点： 一是温度稳定性差； 二是灵敏系数的非线性大，所以在使用时需采用温度补偿和非 线性补偿措施

(1) 半导体的压阻效应 压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化， 这种效应称为压阻效应.半导体材料的压阻效应特别强 主要应用：测量压力、加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的 温度误差较大，必须要有温度补偿。 返回 上一页 下一页

(1) 半导体的压阻效应 压阻效应: 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化， 这种效应称为压阻效应. 半导体材料的压阻效应特别强。 主要应用：测量压力、加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的 温度误差较大，必须要有温度补偿。 返 回 上一页 下一页

压阻效应 △R (1+24)E+ R 金属材料 半导体材料 半导体电阻率 的相对变化 π为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E-为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。 △R =(1+24+元，E)8 R 返间 上一页 下一页

压阻效应 金属材料 半导体材料 l l E  =   l   l   半导体电阻率 ＝ 的相对变化 πl-为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E-为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。 返 回 上一页 下一页      = + +  (1 2 ) R R (1 2  E) R R = + + l 

对半导体材料而言，元，E>>(1+μ)，故(1+)项可以忽略 △R =九1E8=元，O R 半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率p的变化是由应变引起的。 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 △R/R K- 三 π，E 8 半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小 返回 上一页 下一页

对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略  l E  l  R R = =  半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率ρ的变化是由应变引起的。 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 E R R K  l  =  = / 半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小. 返 回 上一页 下一页

(2) 体型半导体电阻应变片 1)结构形式及特点 2)测量电路 返回上一页下一页

返 回 上一页 下一页 (2) 体型半导体电阻应变片 1) 结构形式及特点 2) 测量电路

1)结构型式及特点 P型硅 基片 带状引线 P-Si N型硅 Si) 主要优点：灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍： 横向效应和机械滞后极小 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。 返回 上一页 下一页

1) 结构型式及特点 主要优点: 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍; 横向效应和机械滞后极小. 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 。 返 回 上一页 下一页 P型硅 N型硅

硅半导体应变片的制备 在制造半 导体应变片时 沿所需的晶轴 方向，在硅锭 上切出小条作 为应变片的电 (010) 阻材料，亦有 (110 111 制成栅状的，P 性硅半导体应 变片的制备如 (111) 图所示。 (100) (001) (a) 晶轴示意图 (b)硅条切片 图3-13P硅半导体应变片的制备 说明：目前使用最多的是单晶硅半导体。 P型硅在晶轴方向的压阻系数最大，在晶轴方向的压阻系数最小。 对N型硅来说，正好相反。对这两种单晶硅半导体在晶轴方向的压阻系 数仅比最大压阻系数稍小些

硅半导体应变片的制备 （110） （100） （010） （001） （a）晶轴示意图 （111） （111） （b）硅条切片 图3–13 P硅半导体应变片的制备 说明：目前使用最多的是单晶硅半导体。 P型硅在晶轴方向的压阻系数最大，在晶轴方向的压阻系数最小。 对N型硅来说，正好相反。对这两种单晶硅半导体在晶轴方向的压阻系 数仅比最大压阻系数稍小些。 在制造半 导体应变片时， 沿所需的晶轴 方向，在硅锭 上切出小条作 为应变片的电 阻材料，亦有 制成栅状的，P 性硅半导体应 变片的制备如 图所示

2)测量电路 。电桥供电电源为恒压源，电桥输出电压为 U。=U△R(R+△R) (1)电桥输出电压与△R/R成正比 (2)同时也说明输出电压受环境温度影响 电桥供电电源恒流源，电桥输出电压为 U。=1·△R 此式中不含温度项 电桥输出电压与△R成正比，环境温度的变化对其没有影响。 返回 上一页 一页

2) 测量电路 ⚫ 电桥供电电源为恒压源,电桥输出电压为 ⚫ 电桥供电电源恒流源,电桥输出电压为 /( ) U0 = UR R + Rt U0 = I R （1）电桥输出电压与ΔR / R成正比 （2）同时也说明输出电压受环境温度影响 电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。 返 回 上一页 下一页 此式中不含温度项

(3)扩散型压阻式压力传感器 与大气连通 扩散4个阻值相等电阻 R R2 R3 R4 001) 2n一 .63 (110) 压阻式压力传感器结构简图 1一低压腔2一高压腔3一硅杯4一引线5一硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 返 上一页 下一页

(3) 扩散型压阻式压力传感器 压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 返 回 上一页 下一页 与大气连通 扩散4个阻值相等电阻 R1 R2 R3 R4