目前非电量检测与控制技术中的各类传感器品种繁多，这些由不同原理和材料制成的传感器，往往在常规机械物理量测试中有相同之处。但由于工作原理和选用材料以及材料本身机械物性变化形式和变化的重现性等一系列的差别，造成传感器之间的功能、技术水平及应用方式上存在着很大不同。在力学量测量中力敏元器件在不断发展，但半导体应变片及其传感器却因其本身具备的一些特色而得到广泛的应用。本文着重介绍半导体应变片和传感器的基本原理及其应用。
半导体应变片
半导体硅力敏器件种类很多。其中有半导体应变片、扩散硅应变片、薄膜应变片等。半导体应变片又有P型硅、n型硅、P－n温度自补偿型、灵敏系数补偿型、非线性补偿型等。
一、半导体应变片的作用原理
半导体应变片主要是利用半导体材料的压阻效应制造而成的。所谓压阻效应是指对半导体材料施加一定的力时，材料的电阻率就发生改变的现象。压阻效应的大小以压阻系数来表示。不同类型的半导体材料压阻效应是不一样的，即使同一种半导体材料，压阻效应也具有明显的各向异性。
制造半导体应变片的主要材料是单晶硅，制作时，一般是沿着晶轴方向将硅单晶切割成小条即硅条，如图1所示。
二、半导体应变片的主要特性
1．半导体应变片使用P型硅材料，其纵向为（111）晶向，横向为（001）晶向。由于P型硅的（001）晶向压阻系数几乎等于零，因此它的横向效应也几乎为零。
2．半导体单晶硅本身是一个很好的弹性材料，因此，机械滞后比较小。
3．半导体单晶硅的压阻系数和弹性模量在不同的应变下不完全是一个常数，特别在大应变下尤其如此。
4．电阻温度系数和灵敏度温度系数比较大。P型硅应变片电阻温度系数是正温度系数，而灵敏系数为负温度系数，其值均较大，在作为传感器使用时，一般要进行温度补偿。
三、半导体应变片的结构
半导体应变片由硅条、内引线、胶底、电极、外引线等五部分组成，如图2所示。硅条是应变片的敏感部分，是核心。内引线连接硅条和电极，材料是金丝，胶底是应变片的基底，材料是酚醛类胶，电极是内引线和外引线的连接点，用康铜箔制成，外引线是应变片的引出线，用镀银铜线。
半导体应变式传感器
传感器能将被测物理量转变为与之有确定关系的有用电量输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示的要求。
一、传感器的组成：半导体应变式传感器和其它结构型传感器一样，都由弹性体、敏感元件和测量电路三部分组成。弹性体用来直接感受被测物理量由一种物理状态（力、压力、压差、位移、扭矩和加速度等）变换为所需要的另一种物理状态（应变）。半导体应变片把应变量的变化转换为电阻量的变化。被测电路的作用是将电阻的变化转变为电压（或电流）的变化。在传感器中，测量电路一般为惠斯登电桥。
二、传感器的作用原理：半导体应变式传感器是把半导体应变片粘贴在弹性体上。如图3所示，并且按照弹性体的受力变形引起的应变片电阻值的变化连接成惠斯登电桥。
应变式传感器感受被测物理量时（如受到一个集中载荷力P作用），则四个应变片中的两片（R\(_{1}\)、R3）受拉应力，另两应变片（R\(_{2}\)、R4）受压应力。半导体应变片受拉应力电阻值增加，受压应力电阻值减小。这样当电桥的两端加一个电压时，另两端就有一个正比于所施加力的电信号输出。
三、主要特性参数
1．输出灵敏度：指在单位桥压下，额定负荷时输出的毫伏数。
2．非线性：指在递增负荷情况下，传感器实际输出线与端点直线的最大偏差与满量程输出值的百分比来表示。
3．滞后：从零负荷开始，对传感器施加负荷递增至额定负荷，再从额定负荷减到零负荷。由此得到相同负荷点输出差值的最大值与额定输出的百分比。
4．不重复性：在相同的加荷条件和相同的环境条件下，对传感器施加三次同一负荷时其输出的极差。在数值上用对应点输出的最大差值与额定输出的平均值的百分比来表示。
5．温度零点漂移：由环境温度的变化，引起的零点输出的变化，在工作温度范围内，环境温度每变化1℃时引起的零点输出的变化与额定输出的百分比。
除上述五个参数外，还有额定载荷、蠕变、零点不平衡输出、零点时间漂移、灵敏度温度系数、过载能力、绝缘电阻、输入输出阻抗等。
半导体应变式传感器的应用
半导体应变式传感器无论进行哪种力学量的测量，其测试系统一般都分为信号的接收，即被测物理量的非电量信号的输入，能量的转换、信号的放大、记录与分析检测等各部分，其方框图见图4。
1．荷重、拉压传感器的应用：
①工程测力：杠锤机、汽车拖拉机牵引力、张力、火箭发动机推力、煤矿坑道顶板压力等。
②称重：平台秤、轨道衡、吊车秤、料斗秤、电子皮带秤、电力磅秤、电子运装秤、商用电子秤等。
③工业检测与自动控制：自动配料控制系统、包装控制系统、电站燃料控制、纺织的张力控制，以及棉花强度控制等。
④医疗器械上作为测量脉搏、血压、心脏跳动、肌肉收缩等。
图5是电子皮带秤的工作原理图。电子皮带秤可连续测出皮带运输机上所传送的物料瞬时输入量的大小，并能显示出在某段时间内皮带机上所通过物料总重量和预先选定的秤量数值。当秤量达到所选定的数值时，能自动停机。这对提高劳动生产率、减轻劳动强度、加强经济核算、节约能源等方面起到了重要的作用。电子皮带秤的工作过程是当物料通过皮带运输机的有效秤量段时，压力经活动框架传到荷重传感器的承压头上，传感器把物料的重量变换成电信号。
2．压力传感器的应用：
压力传感器用来测量气体和液体的压力，其主要用途有：
①在航空、航天技术中的应用。在航空发动机试验研究中，为了获取发动机性能、起动过程中的效率、加速过程，以及发动机内功的匹配等的特性，必须测量过渡态的压力变化。
②火工品（如雷管）压力、冲击波爆破、轰冲波压力场、火箭发动机压力、柴油机压力、某些系统的安全性压力和动作循环过程中的压力。
③测量储气筒、储油筒液位、高度。
④深度的测量：海底石油勘探中电缆深度的测量和控制，挖泥船挖掘深度的测量等等。
⑤电力系统中用于油路压力的测量和控制、可用来代替一般压力表进行集中控制。
⑥发动机轴瓦油膜压力的测量。
⑦在柴油机调试中进行无腔体压力测量。
⑧风洞实验中压力的测量。
⑨模拟太空进行微小压力和负压力的测量。
图6是差压传感器在管道测试中的应用举例。在水泥、热电、化工、纺织、冶金、环保、矿山、玻璃及粮食等行业或加工业中都具有气体流动的场合，为了提高产品质量，降低能源浪费，改善工作条件，需要对管道中的气体流量、流速、动压和静压等多种参数进行测量。
测量管道内流速或流量的一种方法是动压测量，即压差测量。其原理是根据伯努利方程，利用测量流体流动过程中的动压来计算流速。用笛形管（或皮托管）将气体压力取样，送到压差传感器，传感器输出一个与压差成正比的电信号，经A/D转换后变为数字量送入微处理机进行分析处理。（朱松盛 胡伟全 顾德美）