半導體應變片

利用半導體單晶硅的壓阻效應制成的一種敏感元件，又稱半導體應變片。壓阻效應是半導體晶體材料在某一方向受力產生變形時材料的電阻率發生變化的現象（見壓阻式傳感器）。半導體應變片需要粘貼在試件上測量試件應變或粘貼在彈性敏感元件上間接地感受被測外力。利用不同構形的彈性敏感元件可測量各種物體的應力、應變、壓力、扭矩、加速度等機械量。半導體應變片與電阻應變片（見電阻應變片）相比，具有靈敏係數高（約高 50～100倍）、機械滯後小、體積小、耗電少等優點。P型和N型硅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。早期的半導體應變片採用機械加工、化學腐蝕等方法制成，稱為體型半導體應變片。它的缺點是電阻和靈敏係數的温度係數大、非線性大和分散性大等。這曾限制了它的應用和發展。自70年代以來，隨着半導體集成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片，上述缺點得到一定克服。半導體應變片主要應用於飛機、導彈、車輛、船舶、機牀、橋樑等各種設備的機械量測量。

這種半導體應變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最後粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上製成的。體型半導體應變片可分為6種。

①普通型:它適合於一般應力測量；

②温度自動補償型：它能使温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，使温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組合温度補償型: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，從而使温度特性和非線性特性有較大改善。

這種應變片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温度來控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻温度係數和靈敏度係數。因而能製造出適於不同試件材料的温度自補償薄膜應變片。薄膜型半導體應變片吸收了金屬應變片和半導體應變片的優點，並避免了它的缺點，是一種較理想的應變片。

這種應變片是將 P型雜質擴散到一個高電阻N型硅基底上，形成一層極薄的P型導電層,然後用超聲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，電阻温度係數也比一般體型半導體應變片小一個數量級。缺點是由於存在P-N結，當温度升高時,絕緣電阻大為下降。新型固態壓阻式傳感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用擴散法制成的。

這種應變片是在多晶硅或藍寶石的襯底上外延一層單晶硅而製成的。它的優點是取消了P-N結隔離，使工作温度大為提高(可達300℃以上)。

半導體應變片最突出的優點是靈敏度高，這為它的應用提供了有利條件。另外，由於機械滯後小、橫向效應小以及它本身體積小等特點，擴大了半導體應變片的使用範圍。

其最大的缺點是温度穩定性差、靈敏度離散程度大（由於晶向、雜質等因素的影響）以及在較大應變作用下非線性誤差大等，給使用帶來一定困難。

袁希光主編：《傳感器技術手冊》，國防工業出版社，北京，1986。