电子功能材料与元器件：8-1 压阻式压力传感器的工作原理

1、LOGO 第八章 压力传感器 8-1 8-1 压阻式压力传感器的工作原理压阻式压力传感器的工作原理 LOGO 主要内容 8-1-1 半导体的压阻效应 8-1-2 压阻式压力传感器的工作原理 LOGO 8-1-1 半导体的压阻效应 :是把压力通过液体的传递，造成材料各 处均匀受压，使晶格间距减小，但并不破坏晶体的对称 性，只能使能带极值发生移动，使禁带宽度在不同方向 上发生变化。 （沿某一方向进行纵向拉伸或压缩，产生形 变的力称为单轴应力）：除纵向伸长或缩短外，还存在 由切变应力引起的横向变小或变大。这种切应变使晶体 的对称性随之发生变化，有的晶向上晶格间距减小，有 的晶向上晶格间距增大，导致能

2、带结构在不同晶向方向 上产生不同的变化，引起不同晶向电阻变化值不同。 LOGO 8-1-1 半导体的压阻效应 在外力作用下发生机械变 形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或 缩短）的变化而发生变化的现象，称为金属电 阻应变效应。 对半导体施加应力作用除产生形变 外，同时也改变了载流子的分布和运动状态， 导致材料宏观电阻率的变化。这种由外力作用 引起半导体电阻率变化的现象称为压阻效应。 LOGO 8-1-1 半导体的压阻效应 以硅为例分析在单轴应力作用下半导体能带的变化以硅为例分析在单轴应力作用下半导体能带的变化 1）100方向能谷升高，载 流子数减少。 2）010001方向能谷降 低，填充载

3、流子数增多。 3）虚线-受力，实线-受力 前，虚线在内表能量升高， 虚线在外表示能量降低。 4）100方向电导减小， 001010方向电导增加。 LOGO 8-1-2 压阻式压力传感器的工作原理 无外力时：无外力时： 00 0 0 L R S （8-3） 有压力时：有压力时： 0 000000 0 (1) S RLSL S L RLSL L （8-4） 0 L L 0 0 2 S S L L 令令 （8-5） LOGO 8-1-2 压阻式压力传感器的工作原理 0 (12) R E R 有有（8-6） -纵向应变、-泊松比、E-杨式模量、-压阻系数 令 G=1+2+E 0 R G R G为膜片的

4、灵敏度系数。 半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50-70倍。 （8-7） LOGO 8-1-2 压阻式压力传感器的工作原理 在恒压源供电时，电桥电路的 零输出为： 1324 0 1234 ()() B R RR R VV RRRR 式中R1、R2、R3、R4为扩散形成 的桥臂电阻：VB为电源电压：V0为 零输出电压。 零 压 时 V 0 越 小 越 好 ， 若 使 R1R3=R2R4或R1=R2=R3=R4=R0,则电桥 处于平衡状态时，则V0=0. 当外力作用于硅弹性膜片时，(4个压阻条，两条处于拉应力 区，两条处于压应力区，相对于膜片中心对称)，使电桥失去平 衡，产生电压输出。若R1

5、=R2=R3=R4=R0,则电桥输出电压为： 0 PBB R VVG V R +R +R -R -R LOGO 8-1-2 压阻式压力传感器的工作原理 在恒流源供电时，电桥电路的 零输出为： 1324 0 1234 I B R RR R V RRRR 式中R1、R2、R3、R4为扩散形成 的桥臂电阻：IB为电源电压：V0为 零输出电压。 零 压 时 V 0 越 小 越 好 ， 若 使 R1R3=R2R4或R1=R2=R3=R4=R0,则电桥 处于平衡状态时，则V0=0. 当外力作用于硅弹性膜片时，使电桥失去平衡，产生电压输 出。若R1=R2=R3=R4=R0,则电桥输出电压为： 0 IR I PBB VRG +R +R -R -R LOGO 知识点 1.1.绘图说明在绘图说明在SiSi的的001001方向施加压力时，对材料的能带结构方向施加压力时，对材料的能带结构 及