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當(dāng)力作用于硅晶體時,晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化,擾動了載流子縱向和橫向的平均量,從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異,因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(見電阻應(yīng)變計),前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化,后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化(應(yīng)變),而且前者的靈敏度比后者大50~100倍。

這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi),引出電極引線(概述圖)。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器,它不同于粘貼式應(yīng)變計需通過彈性敏感元件間接感受外力,而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。概述圖中硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔,另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計成周邊固支的圓形,直徑與厚度比約為20~60。在圓形硅膜片(N型)定域擴(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋,其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū),另兩條處于拉應(yīng)力區(qū),相對于膜片中心對稱。圖2中是兩種微型壓力傳感器的膜片,圖中數(shù)字的單位為毫米。此外,也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條 ,兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。

壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件,擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時,各電阻值將發(fā)生變化,電橋就會產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片(或稱膜片)材料主要為硅片和鍺片,硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視,尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。

1954年C.S.史密斯詳細(xì)研究了硅的壓阻效應(yīng),從此開始用硅制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半導(dǎo)體應(yīng)變計式的。后來在 N型硅片上定域擴(kuò)散P型雜質(zhì)形成電阻條,并接成電橋,制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。采用這種芯片作為敏感元件的傳感器稱為擴(kuò)散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結(jié)構(gòu),因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動態(tài)測量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺點(diǎn)。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷,而且能將電阻條、補(bǔ)償電路和信號調(diào)整電路集成在一塊硅片上,甚至將微型處理器與傳感器集成在一起,制成智能傳感器(見單片微型計算機(jī))。

這種新型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:

①頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上),適于動態(tài)測量;
②體積小(例如有的產(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米),適于微型化;
③精度高,可達(dá)0.1~0.01%;
④靈敏高,比金屬應(yīng)變計高出很多倍,有些應(yīng)用場合可不加放大器;
⑤無活動部件,可靠性高,能工作于振動、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。

其缺點(diǎn)是溫度影響較大(有時需進(jìn)行溫度補(bǔ)償)、工藝較復(fù)雜和造價高等。

壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù),對靜態(tài)和動態(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布,測試發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機(jī)翼的抖動等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)中心壓力的測量中,使用專門設(shè)計的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500℃以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中,壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米,固有頻率高達(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。圖3是一種用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機(jī)的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外,在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展,壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。