力敏器件属于半导体器件,是一种可用来测力和测压的敏感元件,它是在硅单晶片上,用集成电路的工艺方法,制作四个阻值彼此相同的电阻,并将它们接成桥路而成的。图1是它的外形结构示意图,图2是电路图。由于硅单晶具有各向异性特性(如电学特性、弹性特性等在不同晶向上是不相同的),我们有意识地将其中两只对臂电阻(如R\(_{1}\)、R2)扩散在一个相同的晶向上,而将另外两只对臂电阻(R\(_{3}\)、R4)扩散在另外一个晶向上,如果这时在A、B两端通以恒流电源或稳压电源,由于R\(_{1}\)=R2=R\(_{3}\)=R4,所以这时C、D两点没有电位差,也就是说,桥路输出端电压V\(_{CD}\)=0。
我们将这只力敏器件固定在一根悬臂梁上,如图3所示。悬臂梁的结构是一端固定。另一端可以在受外力的作用下自由地弯曲。当在悬臂梁的自由端施加一定的压力时,我们就会发现,这时有一对对臂电阻(例如R\(_{1}\)和R2)阻值随着外力作用的增加而不断增加,而另一对对臂电阻(例如R\(_{3}\)和R4)阻值却随着施加的外力增加而逐渐减小。这种奇妙现象就是半导体物理理论所指出的压阻效应。这是因为这两组电阻扩散在不同的晶向(晶体的不同方向)上,而硅的不同晶向压阻效应是各不相同的。由于桥路两组电阻阻值变化不一致,这样一来,桥路的输出电压V\(_{CD}\)就不再保持零值了。 VCD的改变量将随着施加外力的大小呈线性关系的变化,如图4所示。这样,应用力敏器件就能够把一些物理量如位移、力、压力、速度、加速度等等转变成电信号量,实现了非电量信号转换成电信号的传感功能。


这里需要说明的是,由于扩散时四个电阻很难作到阻值完全一样,所以一般在力敏器件片中还扩散了一些调零电阻,配合外电路,使V\(_{CD}\)在没有外力作用时保持为零值。
悬臂梁的结构一般有硅梁和金属梁两种。金属梁是在一金属制的悬臂梁上粘贴上一只力敏器件;硅梁就是将硅本身作成梁,直接在它上面扩散电阻(或作成桥路),图3画出的就是硅梁结构。

除上述外,另外还有一种是将力敏器件的衬底单晶体制成硅杯结构形式,如图5所示,由衬底单晶的底部来感受外力。它的特殊的硅杯结构,给使用带来了不少方便,但也必须注意,这种结构只能感受均匀压力,而且压力的大小受到一定的限制。
力敏器件最后还需要封装,一般是封装在金属或塑料的外壳里,外壳的形状可以根据需要而配置,外壳上面都需留有引线孔和感受压力的孔位。
力敏器件的特点
由于力敏器件是用半导体集成电路工艺制成的,管芯可以做得很小,因此体积小、重量轻。由于力敏器件能够直接感受被测量的力或压力,所以可使机械结构简化。另外,力敏器件的灵敏度很高,比金属丝、箔应变片要高几十倍。为什么力敏器件会有那么高的灵敏度呢?我们知道,任何一只电阻R,可以用数学表达式来描述:
R=ρ\(\frac{l}{s}\)
或中ρ是电阻率,l是电阻长度,s是电阻横截面积。
对于金属丝、箔应变片来说,只有外形尺寸的改变,所以电阻值改变不大。对于半导体力敏器件来说,还要加上电阻率的改变量对于电阻值改变的贡献,而且电阻率的改变量是很大的,这是硅的压阻效应所决定的,所以力敏器件灵敏度很高,输出信号量大。用它来作传感元件,甚至可以不带放大器,直接用它的输出信号量进行显示。
力敏器件的应用
据国外报导力敏器件开始是在航空、宇航等方面使用,例如英法联合研制的协和式飞机,每架就曾用力敏器件达80只之多。继后,力敏器件又应用到了工业自动化仪表上,例如用在大气探测仪表中,用在水深和流速测试仪表中,用在石油化工仪表(如气电转换器、差压变送器等)中,用在测量地壳地压变化的仪表中等等。下面举一个在医疗方面应用的例子。中医诊病时用三只手指搭在病人手腕的“寸、关、尺”上,凭经验来诊断病情。医学科学工作者们使用了三只力敏器件来模拟医生的三只手指,用三只力敏器件来传感脉象,将脉搏的跳动转换成电信号,可以方便地进行显示和记录,便于学习和总结中医的诊断经验。这就是所谓的“脉象仪”,其测量示意图见图6。

力敏器件的缺点是不能耐高温,工作温度一般不能超过100℃以上。此外,力敏器件在长时期的工作中,输出信号会有一定程度的飘移。随着对力敏器件研制工作的进展,目前已经出现了许多新的品种。例如,为了改善工作温度特性、提高器件稳定性而制成的多晶硅力敏器件;为了更进一步提高器件的灵敏度,使用场效应管制成的力敏器件等等。相信会有更多新品种、更高质量的力敏器件出现,为我国的四个现代化服务。
力敏器件作成压力传感器性能指标
以法国CZ1023型相对压力传感器为例:
1.量程 0——2巴和0——8巴(相对压力)
2.灵敏度 电流为10mA时,满量程电压输出0一250mV
3.输入阻抗 1200Ω±120Ω(温度为20℃时)
4.线性 0.5%(在0到量程最大范围内变化)
5.零点温度影响2×10\(^{-}\)4/℃
6.零点的时间稳定性<0.1%
7.温度使用范围 -20℃-+120℃(用于一般介质)
其它从略。(北京化工学院 彭斯福)

