扩散式半导体压力测量元件工作原理

之前篇幅中讨论的测压仪表都是利用弹性元件产生变形工作的，仪表内总包含一个运动部分，固态测压仪表是利用某些元件固有的物理特性，如利用压电效应（压电体受压力作用时表面出现电荷)、压磁效应(磁性材料受压时各方向的磁导率发生变化)、压阻效应(半导体材料受压时电阻率发生变化)等直接将压力转换为电信号。由于没有活动部件，仪表的结构非常简单，工作可靠，频率响应范围较宽。

是一种根据压阻效应工作的半导体压力测量元件的示意图，在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向扩散着一些长条形电阻。当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值发生变化。

图：扩散式半导体压力测量元件原理

需要说明，这里扩散电阻的变化，在机理上和金属丝应变电阻不同。普通的金属电阻丝受力变形时,其电阻的变化是由几何尺寸变化引起的，由电阻丝的长度和截面积s的变化引起的。而半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格之间的距离发生变化，使禁带宽度及载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料的电阻率p发生强烈的变化。实践表明，半导体扩散电阻的电阻变化主要是由电阻率p的变化造成的，其灵敏度比金属应变电阻高100倍左右。

为了减小半导体电阻随温度变化引起的误差，在硅膜片上常扩散4个阻值相等的电阻，以便接成桥式输出电路获得温度补偿。力学分析表明，平面式的弹性膜片受压变形时，中心区与四周的应力方向是不同的。当中心区受拉应力时，周围区域将受压应力，离中心为半径60%左右的地方，应力为零。根据这样的分析，在膜片上用扩散方法制造电阻时，将4个桥臂电阻中的两个置于受拉区，另两个置于受压区，这样，接成推挽电路测量压力时，电阻温度漂移可以得到很好的补偿，而输出电压加倍。在使用几伏的电源电压时，桥路输出信号幅度可达几百毫伏。这样，后面只要用一个不太复杂的电路，便可转换为标准电信号输出。

硅杯被烧结在膨胀系数和自己相同的玻璃台座上，以保证温度变化时硅膜片不受附加应力。尽管如此，由于半导体材料对温度的敏感性，温度漂移始终是这类传感器的主要问题。为解决这一问题，常在硅膜片上同时扩散专用的温度测量电阻，以便按扰动补偿的原则，在宽范围内进行准确的温度补偿。在工业测量中，为避免被测介质对硅膜片的腐蚀或毒害，硅膜片被置于相似的膜盒内，被测介质在隔离膜片之外，压力只能通过膜盒内中性的硅油传递给硅膜片。目前用这种敏感元件制成的压力仪表精度可达0.25级或更高。其主要优点是结构简单，尺寸小，便于用半导体工艺大量生产，降低价格，因而成为低价位压力变送器的主流产品。