電子功能材料與元器件：8-1 壓阻式壓力傳感器的工作原理

1、LOGO 第八章 壓力傳感器 8-1 8-1 壓阻式壓力傳感器的工作原理壓阻式壓力傳感器的工作原理 LOGO 主要內(nèi)容 8-1-1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 8-1-2 壓阻式壓力傳感器的工作原理 LOGO 8-1-1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) :是把壓力通過液體的傳遞，造成材料各 處均勻受壓，使晶格間距減小，但并不破壞晶體的對(duì)稱 性，只能使能帶極值發(fā)生移動(dòng)，使禁帶寬度在不同方向 上發(fā)生變化。 （沿某一方向進(jìn)行縱向拉伸或壓縮，產(chǎn)生形 變的力稱為單軸應(yīng)力）：除縱向伸長(zhǎng)或縮短外，還存在 由切變應(yīng)力引起的橫向變小或變大。這種切應(yīng)變使晶體 的對(duì)稱性隨之發(fā)生變化，有的晶向上晶格間距減小，有 的晶向上晶格間距增大，導(dǎo)致能

2、帶結(jié)構(gòu)在不同晶向方向 上產(chǎn)生不同的變化，引起不同晶向電阻變化值不同。 LOGO 8-1-1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 在外力作用下發(fā)生機(jī)械變 形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或 縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬電 阻應(yīng)變效應(yīng)。 對(duì)半導(dǎo)體施加應(yīng)力作用除產(chǎn)生形變 外，同時(shí)也改變了載流子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 導(dǎo)致材料宏觀電阻率的變化。這種由外力作用 引起半導(dǎo)體電阻率變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 LOGO 8-1-1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 以硅為例分析在單軸應(yīng)力作用下半導(dǎo)體能帶的變化以硅為例分析在單軸應(yīng)力作用下半導(dǎo)體能帶的變化 1）100方向能谷升高，載 流子數(shù)減少。 2）010001方向能谷降 低，填充載

3、流子數(shù)增多。 3）虛線-受力，實(shí)線-受力 前，虛線在內(nèi)表能量升高， 虛線在外表示能量降低。 4）100方向電導(dǎo)減小， 001010方向電導(dǎo)增加。 LOGO 8-1-2 壓阻式壓力傳感器的工作原理 無外力時(shí)：無外力時(shí)： 00 0 0 L R S （8-3） 有壓力時(shí)：有壓力時(shí)： 0 000000 0 (1) S RLSL S L RLSL L （8-4） 0 L L 0 0 2 S S L L 令令 （8-5） LOGO 8-1-2 壓阻式壓力傳感器的工作原理 0 (12) R E R 有有（8-6） -縱向應(yīng)變、-泊松比、E-楊式模量、-壓阻系數(shù) 令 G=1+2+E 0 R G R G為膜片的

4、靈敏度系數(shù)。 半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高50-70倍。 （8-7） LOGO 8-1-2 壓阻式壓力傳感器的工作原理 在恒壓源供電時(shí)，電橋電路的 零輸出為： 1324 0 1234 ()() B R RR R VV RRRR 式中R1、R2、R3、R4為擴(kuò)散形成 的橋臂電阻：VB為電源電壓：V0為 零輸出電壓。 零 壓 時(shí) V 0 越 小 越 好 ， 若 使 R1R3=R2R4或R1=R2=R3=R4=R0,則電橋 處于平衡狀態(tài)時(shí)，則V0=0. 當(dāng)外力作用于硅彈性膜片時(shí)，(4個(gè)壓阻條，兩條處于拉應(yīng)力 區(qū)，兩條處于壓應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱)，使電橋失去平 衡，產(chǎn)生電壓輸出。若R1

5、=R2=R3=R4=R0,則電橋輸出電壓為： 0 PBB R VVG V R +R +R -R -R LOGO 8-1-2 壓阻式壓力傳感器的工作原理 在恒流源供電時(shí)，電橋電路的 零輸出為： 1324 0 1234 I B R RR R V RRRR 式中R1、R2、R3、R4為擴(kuò)散形成 的橋臂電阻：IB為電源電壓：V0為 零輸出電壓。 零 壓 時(shí) V 0 越 小 越 好 ， 若 使 R1R3=R2R4或R1=R2=R3=R4=R0,則電橋 處于平衡狀態(tài)時(shí)，則V0=0. 當(dāng)外力作用于硅彈性膜片時(shí)，使電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸 出。若R1=R2=R3=R4=R0,則電橋輸出電壓為： 0 IR I PBB VRG +R +R -R -R LOGO 知識(shí)點(diǎn) 1.1.繪圖說明在繪圖說明在SiSi的的001001方向施加壓力時(shí)，對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu)方向施加壓力時(shí)，對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu) 及