第三节 压阻式传感器

由于金属电阻应变式传感器的灵敏系数较低（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、分辨率高、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。

一、工作原理

半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。

当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为

式中，dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为

式中，π为半导体材料的压阻系数；σ为半导体材料所受的应力；E为半导体材料的弹性模量；ε为半导体材料的应变。

将式（2-62）代入式（2-61）中，得

实验证明，对于半导体材料，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，于是式（2-63）可写为

因此，半导体应变片的灵敏系数为

可见，当半导体应变片受到外界应力的作用时，其电阻（率）的变化与所受应力的大小成正比，这就是压阻式传感器的工作原理。

二、结构及特点

一般半导体应变片是沿所需的晶向将硅单晶体切成条形薄片，厚度约为（0.05～0.08）mm，在硅条两端先真空镀膜蒸发一层黄金，再用细金丝分别与两电极焊接。硅条是感压部分，基底起支撑和绝缘作用，采用胶膜材料，电极一般用康铜箔，外引线用镀银铜线。如图2-31所示为一种条形半导体应变片。为提高灵敏度，除应用单条应变片外，还有制成栅形的。

用于制作半导体应变片的半导体材料主要有：硅、锗、锑化铟及砷化镓等，其中最常用的是硅和锗。在硅和锗中掺进元素硼、铝、镓、铟等杂质，可以形成P型半导体；如掺进磷、锑、砷等，则形成N型半导体。掺入杂质的浓度越大，半导体材料的电阻率就越低。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关，即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同。

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，但总的来说，压阻式传感器的灵敏系数大大高于金属电阻应变片的灵敏系数，大约是后者的50～100倍。

压阻式传感器优点是：①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大即可直接用于测量；②分辨率高，例如测量压力时可测出（10～20）Pa的微压；③测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；④应变的横向效应和机械滞后极小；⑤可测量低频加速度和直线加速度。

压阻式传感器的主要不足是：①温度稳定性差，即电阻值会随温度而变化；②灵敏度的非线性较大，可造成测量体具有±（3%～5%）的误差。因此压阻式传感器在使用时需采用温度补偿和非线性补偿等措施。

三、典型应用

（一）压阻式压力传感器

压阻式固态压力传感器由外壳、硅膜片和引线组成，结构示意图如图2-32所示。其核心部分是一块圆形的膜片，在膜片上利用集成电路的工艺扩散4个阻值相等的电阻，构成电桥。膜片的四周用一圆环固定，常用硅杯一体结构，如图2-33所示，以减小膜片与基座连接所带来的性能变化。膜片的两边有两个压力腔，一个是和被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。4个电阻在应力作用下阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。该电压和膜片的两边压力差成正比，这样测得不平衡电桥的输出电压就能求得膜片所受的压力差。

硅杯膜片上传感器的配置位置需要按膜片上径向应力σ_r和切向应力σ_t的分布情况确定，即

设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。

（二）压阻式加速度传感器

如图2-34所示为一个压阻式加速度传感器，它的悬臂梁直接用单晶硅制成，在悬臂梁的自由端装有敏感质量块，在梁的根部，4个扩散电阻采用平面扩散工艺技术扩散在其两面。

当悬臂梁自由端的质量块受到外界加速度作用时，将感受到的加速度转变为惯性力，使悬臂梁受到弯矩作用，产生应力。这时硅梁上4个电阻条的阻值发生变化，使电桥产生不平衡，从而输出与外界的加速度成正比的电压值。

固态压阻式加速度传感器的频率动态响应好，结构比较简单，体积小，精度高，灵敏度高，长期稳定性好，滞后和蠕变小，便于生产，成本低。