半导体应变片

什么是半导体应变片

半导体应变片的概念是：利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，又称半导体应变片。压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象（见压阻式传感器）。半导体应变片需要粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在弹性敏感元件上间接地感受被测外力。利用不同构形的弹性敏感元件可测量各种物体的应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械量。半导体应变片与电阻应变片(见电阻应变片相比，具有灵敏系数高（约高 50～100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少等优点。P型和N型硅的灵敏系数符号相反，适于接成电桥的相邻两臂测量同一应力。早期的半导体应变片采用机械加工、化学腐蚀等方法制成，称为体型半导体应变片。它的缺点是电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大等。这曾限制了它的应用和发展。自70年代以来，随着半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片，上述缺点得到一定克服。半导体应变片主要应用于飞机、导弹、车辆、船舶、机床、桥梁等各种设备的机械量测量。


图一：半导体应变片

半导体应变片的工作原理

在由半导体应变片组成的传感器中，由四个应变片组成全桥电路，将四个应变片粘贴在弹性元件上，其中两个在工作时受拉伸，而另虾两个则受压缩，这样可以使电桥输出的灵敏度最高。由于电桥的供电电源既可采用恒流源，也可采用恒压源，所以桥路输出的电压与应变片阻值变化的关系也就不同。
对于恒压源来说，其关系是:
UouT=U.△R/(R+△R1)
式中:UouT---电桥输出电压(V);
U------电桥供电电压(V);
△R-----应变片阻值变化量(Ω);
△R1----应变片由于环境温度变化而产生的阻值变化量(Ω);
R------应变片阻值(Ω)。
上式说明电桥输出电压与AR/R成正比，同时也说明采用恒压源供电时，桥路输出电压受环境温度的影响。

扩散型半导体应变片

这种应变片是将 P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一层极薄的P型导电层,然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成（图二）。它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变片小一个数量级。缺点是由于存在P-N结，当温度升高时,绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。


图二：扩散型半导体应变片

光学应变片

光学应变计一般采用不超过 4-9 微米直径的布拉格光栅 玻璃纤维 制造。一般来说,人的头发直径为60-80微米.纤维芯被直径大约125 微米的纯玻璃覆盖层所包围。


图三：光学应变片