半导体应变片的工作原理及优势

半导体应变片最简单的结构如图2-5所示。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指单晶半导体材料（如P-Si，NP-Si）沿某方向受到外力作用时其电阻率ρ发生变化，导致电阻值变化的现象。

图2-4　各式金属电阻应变片花形图

图2-5　半导体应变片（体型）

1—外引线；2—焊接板；3—内引线；
4—P-Si；5—胶膜衬底

半导体材料具有一些特殊的性质，如在压力、温度、光辐射作用下及掺入杂质后，会使半导体电阻率ρ发生很大变化。

分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。式（2-2）中，（1+2μ）ε项是由几何尺寸变化引起的，λEε是由电阻率变化引起的。对于半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分。因此，式（2-2）可写成

式中，λ为沿L向的压阻系数（m2/N）；E为半导体材料的弹性模量（Pa）；ε为沿L向的应变。(www.xing528.com)

半导体应变片灵敏度

K值比金属电阻应变片大50～70倍。

目前国产的半导体应变片大都采用P型和N型硅材料制作，其结构有体型、薄膜型、扩散型，如图2-6所示。

图2-6　半导体应变片

体型半导体应变片分为一般型、温度自补偿型、灵敏度补偿型、高电阻值型、超线性型和P-N组合型。高电阻值型其阻值为2～10kΩ，可加较高电压；超线性型适用于大应变范围；P-N组合型具有较好的温度特性和线性度，适用于普通钢做弹性元件的场合。

薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制作而成，灵敏度约为30，电阻值为120～160Ω，非线性误差约为0.2%，使用温度范围为-150～200℃，也是一种粘贴式应变片。

扩散型半导体应变片是在硅材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻（P型或N型）构成的。其特点是稳定性好，机械滞后和蠕变小。其线性度较金属丝应变片和体型半导体应变片差，灵敏度和温度系数与体型相同，都比金属和薄膜型大。

半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小，使用范围广。最大的缺点是热稳定性差；因掺杂等因素影响，灵敏度离散度大；在较大应变作用下，非线性误差大等。