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传感器知识

    金属电阻应变式传感器虽然有很多优点,但却存在一大弱点,就是灵敏系数低(约为2.0~3.6)。在20世纪50年代中期出现了半导体应变片制成的压阻式传感器,其灵敏系数比金属电阻式传感器高几十倍,而且具有体积小、分率高、工作频带宽、机械迟滞小、传感器与测量电路可实现一体化等优点,因此在实际中得到了广泛的应用。

    压阻式传感器是基于半导体材料的压阻效应原理工作的。当对半导体材料施加应力作用时,半导体材料的电阻率将随着应力的变化而发生变化,进而反映到电阻值也发生变化,因此它也属于一种电阻式传感器。当半导体应变片受到外界应力的作用时,其电阻(率)的变化与受到应力的大小成正比,这就是压阻传感器的工作原理。

    需要指出的是,对于不同的半导体,压阻系数和弹性模量都不一样,所以灵敏系数也各不相同,影响压阻系数的因素主要有:

1、应力的作用方向

    由于半导体材料的各向异性,在实际应用中,随着外界应力施加方向的不同其压阻系数也是不同的。半导体材料的晶向通常采用密勒指数法,将晶向表示成三位由 0 和 1 组成的数字,并加方括号表示。 目前使用最多的是单晶硅半导体,实践表明,对于P型单晶硅半导体沿[111]晶向的压阻系数最大,得到最大的压阻效应,而沿[100]晶向的压阻系数最小。对于N型单晶硅半导体,正好与之相反。对于这两种单晶硅半导体沿[110]晶向的压阻系数仅比最大压阻系数稍小些。
2、扩散杂质的表面浓度

    压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小,表面杂质浓度相同时,P型硅的压阻系数值比N型硅的(绝对)值高,因此选P型硅有利于提高敏感元件的灵敏度。 

3、环境温度

    表面杂质浓度低时,随温度升高,压阻系数下降快;提高表面杂质浓度,随温度升高,压阻系数下降趋缓。从温度影响看,扩散杂质的表面浓度高些好。提高扩散浓度也要降低压阻系数,而且高浓度扩散时,扩散层 P型硅与衬底(膜片)N型硅间PN结耐击穿电压也下降,从而使绝缘电阻下降。总之,实际应用时,需对压阻系数、绝缘电阻以及温度的影响等诸因素综合加以考虑。

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