2.2 压阻式传感器

2.2 压阻式传感器

随着半导体技术的发展，传感器已向半导体化和集成化方向发展。人们发现固体材料受到作用力后电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。它以半导体材料最为显著。压阻式传感器的工作原理就是基于半导体的压阻效应。

利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等特点，因此获得了广泛应用。

2.2.1 半导体压阻效应

压阻式传感器是基于半导体材料的压阻效应原理工作的。所谓“压阻效应”是指当对半导体材料施加应力作用时，半导体材料的电阻率将随着应力的变化而发生变化，进而反映出电阻值也在发生变化。

所有固体材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出微小的应变。半导体压阻效应现象可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化，进而引起电阻变化。

半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，机械变形引起的电阻变化可以忽略。而电阻率ρ的变化是由应变引起的，即

式中，π为压阻系数；σ为应力。

由于弹性模量E=σ/ε，故式（2-16）又可表示为

式中，K为灵敏度系数。

可见，当半导体应变片受到外界应力的作用时，其电阻（率）的变化与受到应力的大小成正比，这就是压阻传感器的工作原理。

需要指出的是，对于不同的半导体，压阻系数和弹性模量都不一样，所以灵敏系数也各不相同，但总的来说，压阻式传感器的灵敏系数大大高于金属电阻应变片的灵敏系数，是其50～100倍，这也是压阻式传感器的一个突出优点。

可以用于制作半导体应变计的材料主要有硅、锗、锑化铟、砷化镓等，以硅和锗最为常用。如在硅和锗中掺进硼、镓、铟等杂质元素，可形成P型半导体；如掺入磷、锑、砷等杂质元素，则形成N型半导体。掺入杂质的浓度越大，半导体材料的电阻率就越低。

利用半导体材料制成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式半导体应变片；另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称为扩散型压阻式传感器。

（1）粘贴式半导体应变片

体型半导体应变片是将晶片按一定取向切片、研磨，再切割成细条，粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应变计如图2-18所示。

图2-18 体型半导体应变计

（2）扩散型压阻式传感器

由于半导体应变式传感器采用了粘片结构，所以有较大的滞后和蠕变，并存在固有频率较低、精度不高、小型化和集成化困难等问题，影响了其发展。扩散型压阻式传感器解决了半导体应变式传感器的上述问题。

利用半导体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。以扩散型半导体应变片为敏感元件制成的传感器称为扩散型压阻式传感器。

图2-19所示为扩散型压阻式压力传感器的结构示意图。它是由外壳、硅杯和引线等组成，其核心部分是一块圆形的硅膜片。通常将膜片制作在硅杯上，形成一体结构，以减小膜片与基座连接所带来的性能变化。在膜片上利用集成电路工艺扩散了4个阻值相等的电阻，并构成电桥，这就是硅压阻式力敏元件的压阻芯片。膜片的两边有两个压力腔，一个是和被测系统相连接的高压腔，另—个是低压腔，通常和大气相通，当膜片两边存在压力差时，膜片上各点就有应力。4个扩散电阻的阻值就发生变化，使电桥失去平衡，输出相应的电压，输出电压和膜片两边的压力差成正比。

图2-19 扩散型压阻式压力传感器的结构

1—引线 2—硅杯 3—低压腔 4—高压腔

5—硅膜片 6—扩散电阻 7—金属丝

2.2.2 测量桥路及温度补偿

压阻式传感器的输出方式是将集成在硅片上的4个等值电阻连成平衡电桥，当被测量作用于硅片上时，电阻值发生变化，电桥失去平衡，产生电压输出。但是，由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。因此，必须采取有效措施，减少或补偿由于这些因素影响带来的误差，提高传感器测量的准确性。

1.测量电桥

压阻式传感器的测量电路一般采用四臂差动等应变全桥检测电路，电桥供电方式可以分为恒压源（见图2-20a）和恒流源（见图2-20b）两种形式。

图2-20 压阻传感器的测量电路

a）恒压源供电电桥 b）恒流源供电电桥

（1）恒压源供电方式

假设4个扩散电阻的起始电阻都为R，当受到应力作用时，有两个电阻受拉，电阻增加ΔR，另一对角边的两个电阻受压，电阻减小ΔR；另外，由于受温度的影响，使每个电阻有ΔR_T的变化量。如图2-20a所示可得电桥的输出为

由式（2-18）可见，电桥输出与供电电压成正比，同时说明与温度对电阻的影响ΔR_T有关，而且是非线性的。所以，用恒压源供电时，不能消除温度的影响。

（2）恒流源供电方式

当用恒流源供电时，假设电桥两个支路的电阻相等，所以流过两支路的电流相等，即I_ABC=I_ADC=I/2，所以电桥的输出为

由式（2-19）可见，电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比；也与供电电源的电流成正比，即输出与恒流源供给的电流大小、精度有关，但是，电桥的输出与温度的变化无关。这是恒流源供电的优点。用恒流源供电时，一个传感器最好独立配备一个电源。

2.温度补偿

当压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。在压阻式传感器中，扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的。

（1）零点温度补偿

零点温度漂移是由于4个扩散电阻值及它们的温度系数不一致造成的。一般可用串联电阻的方法进行补偿，如图2-21所示。串联电阻R_S主要起调节作用，并联电阻R_P则主要起补偿作用。

例如：温度上升，R_S的增量较大，则BD点电位差U_o=V_B-V_D就是零位漂移。在R₂上并联一负温度系数的阻值较大的电阻R_P，实现补偿，以消除此温度差。当然，如果在R₃上并联一个正温度系数的阻值较大的电阻也可以。电桥的电源回路中串联的二极管电压是用来补偿灵敏度温漂的。二极管的PN结为负温度特性，温度升高，压降减小。这样，当温度升高时，二极管正向压降减小，因电源采用恒压源，则电桥电压必然提高，使输出变大，以补偿灵敏度的下降。

图2-21 温漂补偿电路

（2）灵敏度温度补偿

灵敏度温度漂移是由压阻系数随温度变化而引起的，当温度上升时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的温度系数为负值。

灵敏度温度补偿，可以采用在电源回路中串联二极管的方法。当温度升高时，由于灵敏度降低，使输出也降低，这时如果能提高电桥的电源电压，使电桥输出适当增大，便可达到补偿目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果位电桥电源降低，就能使电桥输出适当减小，同样可达到补偿之目的。因为二极管的温度特性为负值，温度每升高1℃时，正向压降减小1.9～2.4mV。这样将适当数量的二极管串联在电桥的电源电路中，如图2-21所示，当温度升高时，二极管正向压降减小，于是电桥电压增大，使输出也增大，只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路中，便可达到补偿之目的。

2.2.3 压阻式传感器的应用

1.液位测量

压阻式压力传感器液位测量如图2-22所示，压阻式压力传感器安装在不锈钢壳体内，并由不锈钢支架固定放置于液体底部。传感器的高压侧进气孔（用不锈钢隔离膜片及硅油隔离）与液体相通。安装高度h₀处的液体的表压为

式中，ρ为液体密度；g为重力加速度。

传感器的低压侧进气孔通过一根橡胶背压管与外界的仪表接口相连接。被测液位为

这种投入式液位传感器安装方便，适用于几米到几十米混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

图2-22 压阻式压力传感器液位测量

1—支架 2—压阻式压力传感器 3—背压管

2.加速度测量

图2-23为传感器在加速度测量中的应用示意图。压阻式加速度传感器中的悬臂梁直接用单晶硅制成。在悬臂梁的根部上、下两面各扩散两个等值电阻，并构成单臂电桥：当梁的自由端的质量块受到加速度作用时，悬臂梁因惯性力的作用产生弯矩而发生变形，同时产生应变，使扩散电阻的阻值发生变化，电桥便有与加速度成比例的电压输出。

这种压阻式加速度计具有如下优点：微型化固态整体结构，性能稳定可靠；灵敏度高，可达0.2mV/g^[1]；准确度高，可达2%；频带宽为0～500Hz；固有频率为2kHz；量程大，可测最大加速度为100g。它的质量只有0.5g，适合于对小构件精密测试；也可用于冲击测量，多用于宇航等场合。

图2-23 压阻式传感器测量加速度

1—惯性质量 2—振动方向 3—电极

4—敏感元件 5—悬臂梁 6—基座