基本介紹
- 中文名：半導體應變計
- 外文名：semiconductor straingauge
- 別稱：半導體應變片感測器
- 原理：半導體單晶矽的壓阻效應
- 領域：感測器
- 優點：靈敏係數高、機械滯後小等
簡介,分類,體型半導體應變計,薄膜型半導體應變計,擴散型半導體應變計,外延型半導體應變計,半導體應變計特性及溫度誤差,半導體應變計特性,半導體應變計溫度誤差產生的原因,
簡介
P型和N型矽的靈敏係數符號相反，適於接成電橋的相鄰兩臂測量同一應力。早期的半導體應變計採用機械加工、化學腐蝕等方法製成，稱為體型半導體應變計。它的缺點是電阻和靈敏係數的溫度係數大、非線性大和分散性大等。這曾限制了它的套用和發展。自70年代以來，隨著半導體積體電路工藝的迅速發展，相繼出現擴散型、外延型和薄膜型半導體應變計，上述缺點得到一定克服。半導體應變計主要套用于飛機、飛彈、車輛、船舶、工具機、橋樑等各種設備的機械量測量。
分類
體型半導體應變計
這種半導體應變計是將單晶矽錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最後貼上在鋅酚醛樹脂或聚醯亞胺的襯底上製成的。體型半導體應變計可分為6種：
①普通型：它適合於一般應力測量；
②溫度自動補償型：它能使溫度引起的導致應變電阻變化的各種因素自動抵消，只適用於特定的試件材料；
③靈敏度補償型：通過選擇適當的襯底材料（例如不鏽鋼），並採用穩流電路，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，因而可不經放大而直接接入指示儀表。
⑤超線性型：它在比較寬的應力範圍內，呈現較寬的應變線性區域，適用於大應變範圍的場合；
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。
薄膜型半導體應變計
這種應變計是利用真空沉積技術將半導體材料沉積在帶有絕緣層的試件上或藍寶石上製成的（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，從而控制電阻溫度係數和靈敏度係數。因而能製造出適於不同試件材料的溫度自補償薄膜應變計。薄膜型半導體應變計吸收了金屬應變計和半導體應變計的優點，並避免了它的缺點，是一種較理想的應變計。
圖1
圖1擴散型半導體應變計
這種應變計是將 P型雜質擴散到一個高電阻N型矽基底上，形成一層極薄的P型導電層,然後用超音波或熱壓焊法焊接引線而製成（圖2）。它的優點是穩定性好，機械滯後和蠕變小，電阻溫度係數也比一般體型半導體應變計小一個數量級。缺點是由於存在P-N結，當溫度升高時,絕緣電阻大為下降。新型固態壓阻式感測器中的敏感元件矽梁和矽杯等就是用擴散法製成的。
圖2
圖2外延型半導體應變計
半導體應變計特性及溫度誤差
半導體應變計特性
半導體材料受到應力作用時，電阻值要發生變化，電阻值的變化主要是由尺寸變化和電阻率變化引起的，其中電阻率變化引起的電阻變化要遠大於尺寸變化引起的電阻變化，即電阻的相對變化主要是由電阻率的相對變化決定的。半導體式應變計的靈敏度很高，但它的電阻溫度係數大，靈敏度也隨溫度變化而變化，易產生熱零點漂移和熱靈敏度漂移。
半導體應變計溫度誤差產生的原因
在應變片不受力的情況下，當工作環境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，測量電路(一般用惠斯登電橋)有輸出，產生溫度誤差，產生溫度誤差的主要原因有以下幾方面：
（1）電阻溫度係數的影響。
（2）試件材料與應變材料線膨脹係數不同的影響。應變片使用時，要貼上在試件上，若試件材料與應變片材料線膨脹係數不同，環境溫度變化時，應變片會產生附加變形，產生附加電阻。用半導體應變計測量應變時，一般用電橋電路，初始時，電橋處於平衡狀態(即零點)，當溫度變化時，由於應變片電阻溫度係數的存在和應變片與試件的線膨脹係數不同，使得應變片阻值發生變化，電橋偏離平衡狀態，在不感受應變的情況下有輸出，稱之為熱零點漂移。溫度變化時，應對溫度變化引起的虛假應變進行補償。
（3）溫度對半導體應變計的靈敏度的影響。
