压阻式传感器基本工作原理及其相关知识

压阻式传感器基本工作原理及其相关知识

压阻式传感器结构

1.      基本工作原理

半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。

 

    公式推导

    电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用式(9.6)来表达。对于金属材料来说，

比较小，但对于半导体材料，

，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由

引起的，即

(9.9)

由半导体理论可知：

(9.10)

式中     

           πL—沿某晶向L的压阻系数；

       σ—沿某晶向L的应力；

              E—半导体材料的弹性模量。

则半导体材料的灵敏系数K0为

(9.11)

    对于半导体硅，πL=(90～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。

 

对于半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。

   最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。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)。

2. 压阻式传感器类型与特点

压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、固态压阻式传感器。

压阻式传感器的特点

压阻式传感器的特点

压阻式传感器的优点是:

灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；

  分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；

测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；

可测量低频加速度和直线加速度。

最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用