半导体电阻应变片结构

半导体电阻应变片结构

半导体电阻应变片结构

定义：半导体电阻应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的电阻式敏感元件。其核心结构通常以单晶硅为基底，通过扩散或离子注入工艺在硅片上形成一定形状的电阻条（敏感栅），并引出电极，封装保护层而成。

作用：将待测的应变（机械变形）转换为电阻值的变化，从而实现对力、压力、加速度等物理量的测量。

典型结构组成：

• 基片：通常采用N型或P型单晶硅片，既是敏感栅的支撑体，也是弹性元件（在部分传感器中）。
• 敏感栅：通过扩散或注入杂质（如硼、磷）在基片上形成一定几何形状（如条状、环状）的电阻区。其电阻率随应力变化符合压阻效应公式：

其中 $\pi$ 为压阻系数（与晶向、掺杂浓度有关），$\sigma$ 为应力。

• 内引线：从敏感栅两端引出的金属导线（通常用铝或金），用于连接外部电路。
• 外引线（电极）：焊接在基片边缘或通过薄膜工艺形成的焊盘，用于传感器封装后的电气连接。
• 保护层：一般采用二氧化硅或氮化硅薄膜，覆盖在敏感栅表面以防止污染和机械损伤。

工程理解：

• 与金属应变片相比，半导体应变片的应变灵敏度系数（GF）可达50~200（金属约为2），但非线性较大，且受温度影响显著，一般需要温度补偿。
• 结构中的晶向选择非常重要，因为压阻系数在不同晶向上差异极大（例如硅的<111>晶向压阻系数最大）。
• 常见的结构形式有体形（直接切割单晶硅制成）和扩散型（集成化工艺），其中扩散型更易实现小尺寸和批量生产。
• 实际应用中常将多个半导体应变片集成在同一硅片上组成惠斯通电桥，以减小温度漂移和非线性误差。