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进气压力传感器原理(半导体和传感器有关系吗)

admin 12-01 21:21 320次浏览

半导体压力传感器原理

半导体压力传感器可以分为两类。一种是基于半导体PN结(或肖特基结)的I-特性在应力作用下发生变化的原理的各种电压敏感二极管或晶体管。这种压敏元件的性能非常不稳定,还没有得到很大的发展。另一类是基于半导体压阻效应的传感器,是半导体压力传感器的主要类型。早期,半导体应变仪多粘贴在弹性元件上,制作各种应力应变测量仪器。20世纪60年代,随着半导体集成电路技术的发展,出现了以扩散电阻为压阻元件的半导体压力传感器。这种压力传感器结构简单可靠,没有相对运动部件,传感器的压敏元件和弹性元件为一体,避免了机械滞后和蠕变,提高了传感器的性能。

半导体压阻效应半导体有一个与外力有关的特性,即电阻率(用符号表示)随外加应力而变化,称为压阻效应。单位应力下电阻率的相对变化称为压阻系数,用符号表示。数学上表示为/= 。

其中代表应力。半导体电阻在应力下产生的电阻值(R/R)的变化主要由电阻率的变化决定,所以压阻效应的表达式也可以写成R/R=。

在外力作用下,半导体晶体中产生一定的应力()和应变(),它们之间的关系由材料的杨氏模量(Y)决定,即Y=/。

如果压阻效应用半导体上的应变来表示,则为R/R=G。

g称为压力传感器的灵敏度因子,表示单位应变下产生的电阻值的相对变化。

压阻系数或灵敏度因子是半导体压阻效应的基本物理参数。它们之间的关系是由材料的杨氏模量决定的,即G=Y,就像应力和应变的关系一样。

由于半导体晶体弹性各向异性,杨氏模量和压阻系数随晶体取向而变化。半导体的压阻效应也与半导体的电阻率密切相关。电阻率越低,敏感系数越小。扩散电阻的压阻效应由扩散电阻的晶体取向和杂质浓度决定。杂质浓度主要指扩散层的表面杂质浓度。

半导体压力传感器结构

常用的半导体压力传感器选用N型硅片作为衬底。首先,将硅片制成具有一定几何形状的弹性承力件。在硅片的受力部分,沿不同的晶向制作四个P型扩散电阻。然后,用四个电阻组成一个四臂惠斯通电桥。在外力的作用下,电阻值的变化变成电信号输出。这种具有压力效应的惠斯通电桥是压力传感器的心脏,通常称为压阻电桥(图1)。压阻电桥的特点是:电桥四个臂的电阻值相等(均为R0);电桥相邻臂的压阻效应值相等,符号相反;电桥四个臂的电阻温度系数相同,始终处于同一温度。R0为室温下无应力的电阻值;RT是温度变化时电阻温度系数()引起的变化;R是应变()引起的电阻变化;电桥的输出电压为u=I0-R=I0RG(恒流源电桥)。

其中I0为恒流源电流,e为恒压源电压。压阻电桥的输出电压与应变()成正比,与电阻温度系数引起的RT无关,大大降低了传感器的温度漂移。最广泛使用的半导体压力传感器是用于检测流体压力的传感器。它的主要结构是一个完全由单晶硅材料制成的胶囊(图2)。膜片做成杯状,杯底是承受外力的部分,压力由膜片传递

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