专题2压阻式固态传感器

2023/2/51专题2压阻式固态传感器

2023/2/521.压阻效应与压阻系数(75到79页）(1)压阻效应：半导体晶体承受机械力后其电阻值增加或减小的现象。本征半导体的压阻效应机理解释：半导体承受机械力之后，晶格间隔改变引起其禁带宽度变化导致电阻变化.压阻式传感器基于压阻效应，在半导体材料基片上经扩散电阻而制成。作为敏感元件的基片受外力作用而产生形变，使得在基片上扩散的电阻组成的电桥产生不平衡输出。测压力和速度的固态硅压阻式传感器应用最为普遍。2023/2/531）压阻效应与压阻系数(2)压阻系数由半导体电阻理论可知，电阻率ρ的相对变化为

d/=L

L=L

EL:沿晶向L的压阻系数(m2/N);L:沿晶向L的应力(N/m2);E:半导体材料的弹性模量(N/m2);:轴向应变。根据欧姆定律，半导体材料的电阻R因外力作用而发生的相对变化为:dR/R=d/+(1+2)dL/L令d/=，则上式可写成

dR/R=+(1+2)dL/L=(E+1+2)=K

半导体材料的E比1+2大许多，1+2可忽略不计。

2023/2/544.2.2压阻效应与器件1）压阻效应与压阻系数(2)压阻系数对半导体材料，E>>1+2，上式可写为:R/R=/=

其中为压阻系数、为应力、为半导体材料的电阻率。可见：半导体材料的电阻变化率R/R主要由Δ/引起，也即由压阻效应产生。在弹性变形限度内，硅的压阻效应可逆，因此除去应力时，硅的电阻可恢复原数值。(3)影响压阻系数的因素主要是半导体材料中扩散杂质的表面浓度和所切割材料的晶向。扩散杂质表面浓度增加，压阻系数减小。表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降慢。2023/2/552）固态压阻器件(1)器件的原理、结构利用固体扩散技术，把P型杂质掺杂到N型硅底层上，形成一薄层导电P型层，安装引线接点，就制成了扩散型半导体应变片。如图所示，在圆形硅膜片上扩散4个P型电阻，构成惠斯通电桥的四臂，就得到通常的固态压阻器件。1—N-Si膜片2—P-Si导电层3—黏结剂4—硅底座5—引压管6—SiO2保护膜7—引线固态压阻器件结构图2023/2/562）固态压阻器件(2)测量桥路及其温度补偿

压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，温度影响会产生零位温度漂移和灵敏度系数温度漂移，另外也明显地受掺杂浓度、供桥电源和桥路等内部及外部因素影响。

零位温漂即电桥的零位电压随温度的变化。对零位温漂，一般采用在桥臂上串、并联电阻进行补偿。

为减小温度影响，压阻器件一般用恒流源供电。如图，若电桥中2个支路的电阻相等，即RABC=RADC=2(R+Rt)，则有

IABC=IADC=I/2因此，电桥的输出可表示为Usc=UBD=I[(R+R+Rt)−(R−R+Rt)]/2=IR

2023/2/572）固态压阻器件(2)测量桥路及其温度补偿（a）灵敏度温度补偿:一般采用在电源回路中串联二极管的方法补偿灵敏度温漂。（b）零点温度补偿:零点温漂是由于桥中4个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致所引起的。一般采用串、并联电阻法补偿，如图所示，其中，并联电阻主要起补偿作用，串联电阻主要起调零作用。2023/2/58压阻式固态压力传感器

利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

2023/2/59压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片

隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。

2023/2/510压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路2023/2/511小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器2023/2/512小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器2023/2/513小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管2023/2/514投入式液位计

压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。

2023/2/515投入式液位计外形（续）

压阻式固态压力传感器

光柱显示器

橡胶背压管

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投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

2023/2/517投入式液位计液位的计算