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电阻和压敏电阻的变化量都是相等的,即则电桥输出的表达式变为
敏感原理本论文采用的是压阻式信号检测原理,其核心是半导体材料的压阻效应压阻
效应是指当材料受到外加机械应力时,材料的体电阻率发生变化的材料性能。晶
体结构的形变破坏了能带结构,从而改变了电子迁移率和载流子密度,使材料的
电阻率或电导发生变化。一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为:
式中,电阻丝的电阻率L电阻丝的长度S电阻丝的截面积。
f当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减少S电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变,故引起电阻值变化R。对全微分,并用相对变化量来表示,则有
式中的LL为电阻丝的轴向应变常用单位11106mmmm。
若径向应变为rr,由材料力学可知rrLL,式中为电阻丝材料的泊松系数,又因为SS2rr,代入式可得
灵敏系数为
对于半导体电阻材料,12,即因机械变形引起的电阻变化可以
忽略,电阻的变化率主要由引起,即RR可见,压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应而工作的。压阻系数
最常用的半导体电阻材料有硅和锗,掺入杂质可形成P型或N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下,原子点阵排列发生变化,导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体如单晶硅是各向异性材料,因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关,还与晶向有关。
压阻效应的强弱可以用压阻系数来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征,沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流,其电阻率变化会不相同。晶轴坐标系压阻系数的矩阵可写成
由此矩阵可以看出,独立的压阻系数分量只有11、12、44三个。11称为纵向压阻系数12称为横向压阻系数44称为剪切压阻系数必须强调一下,11、12、44是相对于晶轴坐标系三个晶轴方向的三个独立分量。有了晶轴坐标系的压阻系数之后,就可求出任意晶向的纵向压阻系数z及横向压阻系数h。设某晶面的晶向的方向余弦为l1、m1、
1,其某一横向的方向余弦为l2、m2、
2,则可求出
f如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力h的作用,则在此晶向上必须是电流
流过方向的电阻率相对变化,可按下式求得此式说明,在同一晶体上RR由两部分组成,一部分是由纵向压阻效应引起
的,一部分是由横向压阻效应引起的。下表给出了硅和锗中的独立压阻系数分量
的值。
硅和锗的独立压阻系数
材料类型
r
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