力敏器件是力学量敏感器件的简称。它具有将被测的力学量,例如荷重、压力、加速度、扭矩和振动等转换为电量的功能。
1954年美国贝尔实验室的查理·施密斯首先发现,当半导体材料受到外力作用时,除产生形变外,晶体内部结构的对称性也随之改变,使能带结构发生变化。这样,材料内载流子的运动状态也随之变化,材料电阻率发生改变。人们将这种外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。
1956年梅森·瑟斯顿利用半导体压阻效应,实现了力、位移和扭矩等物理量的电转换。
1958年出现了最简单的第一代力敏元件——半导体应变计。如果将这种应变计粘贴到被测结构上,可将结构上所感受到的力自动转换为每个半导体应变计的电阻相对变化。如果用四只半导体应变计作为差动全电桥的四个桥臂,就可以形成半导体力敏器件。
按半导体应变计制作工艺和选用材料不同,有P型应变计、P-N型自补偿应变计、灵敏系数补偿型应变计、非线性补偿应变计、隧道二极管型应变计。
用粘贴应变计所组成的力敏器件由于胶层带来了迟滞与蠕变,以及半导体材料与金属弹性体之间温度系数不同等问题,使这类传感器的稳定性仍不够满意,从而限制了它的广泛应用。
为了克服上述缺陷,七十年代初美、荷等国发展了新型力敏器件。利用半导体的平面集成工艺技术,在各种形状承力硅弹性体内形成集成力敏电桥。这就是第二代力敏器件——扩散型力敏器件。它按结构形式分为三种类型:硅梁、硅杯、硅柱。它们是形成各种力学量传感器的核心。
半导体力敏器件采用微电子工艺技术从而实现了器件微小型化,一个扩散型力敏用桥所占面积不足1mm\(^{2}\),这就大大减小了传感器的外形尺寸。美国库利特公司已经形成商品的CQ-030系列固态压力传感器,其外径只有0.76mm,它可以从针眼内穿过去,能测量的压力达500磅/英寸2。把它放入人体血管中,可直接测量体内血压变化,是理想的医用压力传感器。
随着微电子技术的发展,近年出现了第三代半导体力敏器件——智能化力敏器件。它是在同一块硅基片上制成各类力敏元件的同时,还集成出匹配调节、控制、补偿、计算等电路。这样一个小型化智能传感器不仅能同时完成传输器的零点输出及灵敏度的温度补偿、模-数转换,而且还具有力学参数的自动换算及控制等功能。集成的半导体智能力敏器件不仅体积小、可靠性高,而且转换精度提高了一个数量级。
半导体力敏器件正以它独具的特点为各个领域所重视,预计今后十年,它将得到更加飞跃的发展。(毛富民)