什么是壓力傳感器
力敏傳感器是使用最廣泛的一種傳感器，它是檢測(cè)氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱，也包括測(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。力敏傳感器的種類甚多、傳統(tǒng)的測(cè)量方法是利用彈性元件的形變和位移來(lái)表示，但它的體積大、笨重、輸出非線性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈性，研制出半導(dǎo)體力敏傳感器，主要有硅壓阻式和電容式兩種，它們具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此半導(dǎo)體力敏傳感器得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)對(duì)一塊半導(dǎo)體在某一晶向上施加應(yīng)力時(shí)，其電阻率會(huì)產(chǎn)生一定的變化。這種導(dǎo)體電阻率變化和應(yīng)力之間的相互關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，利用此效應(yīng)制成的力學(xué)量傳感器稱為壓阻式力敏傳感器，它有兩種類型，一類是將半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性元件上制成的傳感器，稱為粘貼型壓阻式傳感器，另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，使應(yīng)變計(jì)與硅襯底形成同一整體的傳感器，稱為擴(kuò)散型壓阻式傳感 器。
粘貼型壓阻式力敏傳感器由四只半導(dǎo)體應(yīng)變片接成全橋形式，用粘合劑貼在彈性元件上構(gòu)成，它具有很高的應(yīng)變靈敏系數(shù)，一般為20～200，因此輸出高，輸出靈敏度一般為15～0mV/V，但易發(fā)生零點(diǎn)漂移與蠕變，同時(shí)還存在半導(dǎo)體應(yīng)變片和彈性元件熱膨脹所帶來(lái)的溫度漂移等影響。擴(kuò)散型壓阻式力敏傳感器大都采用單晶硅和半導(dǎo)體平面工藝制成的。一般以N 型硅為襯底，采用氧化、擴(kuò)散等工藝將硼原子沿給定的晶向擴(kuò)散到n 型硅襯底材料中，形成P 型擴(kuò)散層。結(jié)果硼擴(kuò)散區(qū)便形成應(yīng)變電阻，并用襯底形成一個(gè)整體，當(dāng)它受到壓力作用時(shí)，應(yīng)變電阻發(fā)生變化，從而使輸出發(fā)生變化。壓阻式力敏傳感器有靈敏度高、精度高、體積小、重量輕、工作頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
電容式力敏傳感器近來(lái)得到了迅速發(fā)展，這種傳感器的核心部分是對(duì)壓力敏感的電容器。力敏電容器的電容量是由電極面積和兩個(gè)電極間的距離決定。當(dāng)硅膜片兩存在壓力差時(shí)，硅膜片產(chǎn)生形變，電容器極板間的間距發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。這樣，電容變化量與壓差有關(guān)，因此，就可作為力敏傳感器。它與壓阻式力敏傳感器相比，具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、壓力量程大等特點(diǎn)。表5-1 是按工作原理對(duì)力敏傳感器進(jìn)行分類，本章主要介紹半導(dǎo)體應(yīng)變片構(gòu)成的力敏傳感器的應(yīng)用技術(shù)。