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    擴散式半導體壓力測量元件原理

    2021年03月10日 人閱讀

    之前篇幅中討論的測壓儀表都是利用彈性元件產生變形工作的,儀表內總包含一個運動部分,固態測壓儀表是利用某些元件固有的物理特性,如利用壓電效應(壓電體受壓力作用時表面出現電荷)、壓磁效應(磁性材料受壓時各方向的磁導率發生變化)、壓阻效應(半導體材料受壓時電阻率發生變化)等直接將壓力轉換為電信號。由于沒有活動部件,儀表的結構非常簡單,工作可靠,頻率響應范圍較寬。

    是一種根據壓阻效應工作的半導體壓力測量元件的示意圖,在杯狀單晶硅膜片的表面上,沿一定的晶軸方向擴散著一些長條形電阻。當硅膜片上下兩側出現壓差時,膜片內部產生應力,使擴散電阻的阻值發生變化。

    擴散式半導體壓力測量元件原理

    圖:擴散式半導體壓力測量元件原理

    需要說明,這里擴散電阻的變化,在機理上和金屬絲應變電阻不同。普通的金屬電阻絲受力變形時,其電阻的變化是由幾何尺寸變化引起的,由電阻絲的長度和截面積s的變化引起的。而半導體擴散電阻在受應力作用時,材料內部晶格之間的距離發生變化,使禁帶寬度及載流子濃度和遷移率改變,導致半導體材料的電阻率p發生強烈的變化。實踐表明,半導體擴散電阻的電阻變化主要是由電阻率p的變化造成的,其靈敏度比金屬應變電阻高100倍左右。

    為了減小半導體電阻隨溫度變化引起的誤差,在硅膜片上常擴散4個阻值相等的電阻,以便接成橋式輸出電路獲得溫度補償。力學分析表明,平面式的彈性膜片受壓變形時,中心區與四周的應力方向是不同的。當中心區受拉應力時,周圍區域將受壓應力,離中心為半徑60%左右的地方,應力為零。根據這樣的分析,在膜片上用擴散方法制造電阻時,將4個橋臂電阻中的兩個置于受拉區,另兩個置于受壓區,這樣,接成推挽電路測量壓力時,電阻溫度漂移可以得到很好的補償,而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時,橋路輸出信號幅度可達幾百毫伏。這樣,后面只要用一個不太復雜的電路,便可轉換為標準電信號輸出。

    硅杯被燒結在膨脹系數和自己相同的玻璃臺座上,以保證溫度變化時硅膜片不受附加應力。盡管如此,由于半導體材料對溫度的敏感性,溫度漂移始終是這類傳感器的主要問題。為解決這一問題,常在硅膜片上同時擴散專用的溫度測量電阻,以便按擾動補償的原則,在寬范圍內進行準確的溫度補償。在工業測量中,為避免被測介質對硅膜片的腐蝕或毒害,硅膜片被置于相似的膜盒內,被測介質在隔離膜片之外,壓力只能通過膜盒內中性的硅油傳遞給硅膜片。目前用這種敏感元件制成的壓力儀表精度可達0.25級或更高。其主要優點是結構簡單,尺寸小,便于用半導體工藝大量生產,降低價格,因而成為低價位壓力變送器的主流產品。

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