半導(dǎo)體應(yīng)變片

這種半導(dǎo)體應(yīng)變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片可分為6種。

①普通型:它適合于一般應(yīng)力測量;

②溫度自動補償型:它能使溫度引起的導(dǎo)致應(yīng)變電阻變化的各種因素自動抵消，只適用于特定的試件材料;③靈敏度補償型:通過選擇適當(dāng)?shù)囊r底材料(例如不銹鋼)，并采用穩(wěn)流電路，使溫度引起的靈敏度變化極小;

④高輸出(高電阻)型:它的阻值很高(2~10千歐),可接成電橋以高電壓供電而獲得高輸出電壓，因而可不經(jīng)放大而直接接入指示儀表。

⑤超線性型:它在比較寬的應(yīng)力范圍內(nèi),呈現(xiàn)較寬的應(yīng)變線性區(qū)域，適用于大應(yīng)變范圍的場合;

⑥P-N組合溫度補償型:它選用配對的P型和N型兩種轉(zhuǎn)換元件作為電橋的相鄰兩臂，從而使溫度特性和非線性特性有較大改善。

這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在 帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的(圖1)。它通過改變真空沉積時襯底的溫度來控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不同試件材料的溫度自補償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點，并避免了它的缺點，是一種較理想的應(yīng)變片。

這種應(yīng)變片是將 P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個高電阻N型 硅基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層,然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成(圖2)。它的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，機械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般體型半導(dǎo)體應(yīng)變片小一個數(shù)量級。缺點是由于存在P-N結(jié)，當(dāng)溫度升高時,絕緣電阻大為下降。新型固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用擴(kuò)散法制成的。

這種應(yīng)變片是在多晶硅或藍(lán)寶石的襯底上外延一層單晶硅而制成的。它的優(yōu)點是取消了P-N結(jié)隔離，使工作溫度大為提高(可達(dá)300℃以上)。

袁希光主編:《傳感器技術(shù)手冊》，國防工業(yè)出版社，北京，1986。

利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件，又稱半導(dǎo)體應(yīng)變片。壓阻效應(yīng)是半導(dǎo)體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時材料的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象(見壓阻式傳感器)。半導(dǎo)體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測量試件應(yīng)變或粘貼在彈性敏感元件上間接地感受被測外力。利用不同構(gòu)形的彈性敏感元件可測量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、加速度等機械量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片(見電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高(約高 50~100倍)、機械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點。P型和N型硅的靈敏系數(shù)符號相反，適于接成電橋的相鄰兩臂測量同一應(yīng)力。早期的半導(dǎo)體應(yīng)變片采用機械加工、化學(xué)腐蝕等方法制成，稱為體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。它的缺點是電阻和靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)大、非線性大和分散性大等。這曾限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。自70年代以來，隨著半導(dǎo)體集成電路工藝的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)擴(kuò)散型、外延型和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片，上述缺點得到一定克服。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要應(yīng)用于飛機、導(dǎo)彈、車輛、船舶、機床、橋梁等各種設(shè)備的機械量測量。

半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點是靈敏度高，這為它的應(yīng)用提供了有利條件。另外，由于機械滯后小、橫向效應(yīng)小以及它本身體積小等特點，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。

其最大的缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散程度大(由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響)以及在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大等，給使用帶來一定困難。

學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。

傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高(通常是絲式、箔式的幾十倍)、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點。