半导体应变效应与压阻传感器原理详解

本章节内容主要聚焦于半导体受拉后的电阻变化及其在电阻传感器中的应用，特别是在电阻应变传感器这一领域。在半导体材料如硅（Si）中，无论是N型还是P型，当受到拉力或压力作用时，其电阻率会发生显著变化，这种现象被称为压阻效应。压阻效应的关键参数是压阻系数（(Δρ/ρ)/εx），它反映了半导体对应力的敏感程度。对于N型硅，其压阻系数为负，而P型硅为正，这意味着在相同条件下，它们的电阻响应方向相反。 在实际应用中，例如在π14方向切割的P型硅应变片中，其灵敏度非常高，可达金属的70倍，这对于设计高性能的压力和重量传感器至关重要。应变片的工作原理基于电阻随机械形变的改变，当金属丝或片状半导体受到拉伸或压缩时，其长度和截面尺寸发生变化，从而影响电阻值。这种变化通过测量电路进行转换，实现对物理量如力或压力的测量。 非平衡电桥是常见的测量转换电路，用于放大和线性化应变片的信号。它能够有效地处理应变片的非线性特性，并通过温度补偿措施减小因温度变化引起的误差。章节中还讨论了多种传感器应用，如荷重传感器、扭矩传感器以及压阻式固态压力传感器，这些传感器广泛用于工业、建筑和交通等领域，监测设备负载、测量机械部件的应力状态以及监控液体水平。 此外，课程内容还包括了对应变原理的演示，以及应变片的结构详解，如引出线、覆盖层、基底和电阻丝等组成部分。通过对这些基础知识的深入理解，学生能够掌握如何设计和应用电阻应变传感器来准确测量和解析外部力学载荷，这对于自动化检测技术和工程实践具有重要意义。