半导体电阻应变片

半导体电阻应变片

工作原理

半导体电阻应变片基于半导体材料的压阻效应（Piezoresistive Effect），即单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。对于不同类型的半导体，施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样；目前使用最多的是单晶硅半导体。

半导体敏感元件产生压阻效应时其电阻率的相对变化与应力间的关系为：

式中 $\pi$ 为半导体材料的压阻系数，$\sigma$ 为应力，$E$ 为弹性模量，$\epsilon$ 为应变。

因此，对于半导体电阻应变片来说，其灵敏度系数近似为：

与金属应变片的对比

电阻应变片的一般灵敏度系数公式为：

其中 $1+2\mu$ 代表几何应变效应（$\mu$ 为泊松比），$\frac{\mathrm{\Delta }\rho \mathrm{/}\rho }{\epsilon }$ 代表压阻效应。

• 金属材料：压阻效应很小可忽略，$K\approx 1+2\mu$，一般 $K\approx 1.7\sim 3.6$。
• 半导体材料：压阻效应比应变效应大几十到上百倍，应变效应可忽略，整体灵敏度远高于金属材料。半导体材料的应变灵敏度系数一般为金属的50～80倍。

结构

半导体电阻应变片的结构如图3-3所示（图略）。其使用方法与丝式电阻应变片相同，即粘贴在被测物体上，随被测件的应变，其电阻发生相应的变化。结构组成包括：硅敏感条（如P-Si和N-Si构成的半导体结构）、基片、以及引线（如金线、带状引线）。

优缺点

• 优点：灵敏系数高（约为金属应变片的50倍，可测微小应变）；体积小；机械迟滞小，横向效应小；频率响应高。
• 缺点：温度稳定性差；灵敏系数的非线性大（灵敏度随应变的大小和方向不同而变化）。

温度补偿与非线性补偿的必要性

由于半导体材料的温度系数大，应变时非线性严重，使它的应用范围受到一定限制。使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。

非线性误差示例：对于半导体电阻应变片，如K=125，设所受应变ε为 $1\times {10}^{-3}$，则 $\mathrm{\Delta }{R}_1\mathrm{/}{R}_1=K\epsilon =0.125$。在等臂单臂电桥中，输出电压相对偏差可表示为 $\frac{\mathrm{\Delta }{R}_1\mathrm{/}{R}_1}{2+\mathrm{\Delta }{R}_1\mathrm{/}{R}_1}$，代入得 $\frac{0.125}{2+0.125}\approx 5.9\mathrm{\%}$，即非线性误差达5.9%。

应用

压阻式压力传感器具有极低的价格、较高的精度以及良好的线性特性，是目前应用最为广泛的压力传感器。