一、 压阻式传感器基本概念和分类

1.压阻效应

当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻率（或电阻值）发生变化的现象，称为压阻效应。

2.半导体压阻效应

半导体晶片受到外力作用时，会产生肉眼无法察觉的极微小应变，其材料内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率产生剧烈的变化，表现在由其制成的电阻器阻值发生极大变化，这种现象称为半导体压阻效应。

当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化，这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与其晶体的取向有关。

电阻应变效应的分析也适用于半导体电阻材料，即有

　　（3-1）

硅的压阻效应不同于金属应变效应，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。因此，对于金属材料来说，dρ/ρ比较小，但对于半导体材料，dρ/ρ≫（1+2μ）ε，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化主要是由电阻率ρ变化引起的。

由半导体理论可知：

　　（3-2）

式中　π——沿某晶向的压阻系数；

σ——沿某晶向的应力；

E——半导体材料的弹性模量。

影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和环境温度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小；表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的值高，因此选P型硅有利于提高敏感元件的灵敏度。 当表面杂质浓度较低时，随着温度的升高，压阻系数下降较快；当提高表面杂质浓度时，随着温度的升高，压阻系数下降趋缓。

由（3-2）式可知，半导体材料的灵敏系数K为

在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但有时还觉得不够高，因此，为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装）在薄的硅膜上，压力的作用先引起硅膜的形变，形变使压敏电阻承受压应力，该应力比压力直接作用在压敏电阻上产生的应力要大得多，好像硅膜起了放大作用一样。

3.压敏电阻的分类

利用压阻效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导体材料制成粘贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上采用集成电路工艺制成扩散性压敏电阻，用它作传感器元件制成的传感器，称为固态压阻传感器，也叫扩散型压阻式传感器。