半导体应变计

半导体应变计（semiconductor straingauge），利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，又称半导体应变片。压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象。半导体应变片需要粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在弹性敏感元件上间接地感受被测外力。利用不同构形的弹性敏感元件可测量各种物体的应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械量。半导体应变片与电阻应变片相比，具有灵敏系数高（约高50～100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少等优点。

简介

P型和N型硅的灵敏系数符号相反，适于接成电桥的相邻两臂测量同一应力。早期的半导体应变计采用机械加工、化学腐蚀等方法制成，称为体型半导体应变计。它的缺点是电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大等。这曾限制了它的应用和发展。自70年代以来，随着半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现扩散型、外延型和薄膜型半导体应变计，上述缺点得到一定克服。半导体应变计主要应用于飞机、导弹、车辆、船舶、机床、桥梁等各种设备的机械量测量。

分类

体型半导体应变计

这种半导体应变计是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体应变计可分为6种：

①普通型：它适合于一般应力测量；

②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；

③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；

④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2～10千欧），可接成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。

⑤超线性型：它在比较宽的应力范围内，呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；

⑥P-N组合温度补偿型：它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。

薄膜型半导体应变计

这种应变计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成的（图1）。它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变计。薄膜型半导体应变计吸收了金属应变计和半导体应变计的优点，并避免了它的缺点，是一种较理想的应变计。

扩散型半导体应变计

这种应变计是将 P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一层极薄的P型导电层,然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成（图2）。它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变计小一个数量级。缺点是由于存在P-N结，当温度升高时,绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。

外延型半导体应变计

这种应变计是在多晶硅或蓝宝石的衬底上外延一层单晶硅而制成的。它的优点是取消了P-N结隔离，使工作温度大为提高(可达300℃以上)。

半导体应变计特性及温度误差

半导体应变计特性

半导体材料受到应力作用时，电阻值要发生变化，电阻值的变化主要是由尺寸变化和电阻率变化引起的，其中电阻率变化引起的电阻变化要远大于尺寸变化引起的电阻变化，即电阻的相对变化主要是由电阻率的相对变化决定的。半导体式应变计的灵敏度很高，但它的电阻温度系数大，灵敏度也随温度变化而变化，易产生热零点漂移和热灵敏度漂移。

半导体应变计温度误差产生的原因

在应变片不受力的情况下，当工作环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，测量电路(一般用惠斯登电桥)有输出，产生温度误差，产生温度误差的主要原因有以下几方面：

（1）电阻温度系数的影响。

（2）试件材料与应变材料线膨胀系数不同的影响。应变片使用时，要粘贴在试件上，若试件材料与应变片材料线膨胀系数不同，环境温度变化时，应变片会产生附加变形，产生附加电阻。用半导体应变计测量应变时，一般用电桥电路，初始时，电桥处于平衡状态(即零点)，当温度变化时，由于应变片电阻温度系数的存在和应变片与试件的线膨胀系数不同，使得应变片阻值发生变化，电桥偏离平衡状态，在不感受应变的情况下有输出，称之为热零点漂移。温度变化时，应对温度变化引起的虚假应变进行补偿。

（3）温度对半导体应变计的灵敏度的影响。

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