หลักการของเซ็นเซอร์ความดันคืออะไร?

หลักการของเซ็นเซอร์ความดันคืออะไร?

เซ็นเซอร์ความดันเซมิคอนดักเตอร์สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท หนึ่งขึ้นอยู่กับหลักการพื้นฐานที่ทางแยก PN ของสารกึ่งตัวนำ (หรือทางแยก Schottky) การเปลี่ยนแปลงในลักษณะ I-υ ภายใต้ความเครียด ลักษณะของส่วนประกอบที่ไวต่อแรงกดประเภทนี้มีความไม่เสถียรมากและยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างมาก อีกตัวหนึ่งคือเซ็นเซอร์ที่สร้างขึ้นจากเอฟเฟกต์ piezoresistive ของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ความดันเซมิคอนดักเตอร์ประเภทหลัก ในช่วงแรกๆ เกจวัดความต้านทานของเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ถูกแปะบนองค์ประกอบยืดหยุ่นเพื่อสร้างเครื่องมือทดสอบความเครียดและความเครียดต่างๆ ในปี 1960 พร้อมกับการพัฒนาเทคโนโลยีของชิปวงจรรวมเซมิคอนดักเตอร์ เซ็นเซอร์ความดันเซมิคอนดักเตอร์พร้อมตัวต้านทานการแพร่เมื่อส่วนประกอบเพียโซรีซิสทีฟปรากฏขึ้น เซ็นเซอร์ความดันประเภทนี้มีโครงสร้างที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้ ไม่มีส่วนประกอบที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์ องค์ประกอบที่ไวต่อแรงกดและองค์ประกอบยืดหยุ่นของเซ็นเซอร์ถูกรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งช่วยขจัดความล้าหลังของอุปกรณ์ทางกลและการผ่อนคลายความเครียด และปรับปรุงคุณสมบัติของเซ็นเซอร์

ผลเพียโซรีซิสทีฟของเซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับแรงภายนอก นั่นคือ ความต้านทาน (ระบุโดยเครื่องหมาย ρ) เปลี่ยนแปลงไปตามแรงของพื้นดิน ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซรีซิสทีฟ การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความต้านทานภายใต้การกระทำของความเค้นของกราวด์หน่วยเรียกว่าสัมประสิทธิ์ piezoresistive และแสดงด้วยเครื่องหมาย π แสดงเป็นสูตรทางคณิตศาสตร์เป็น 墹ρ/ρ=πσ

ในสูตร σ หมายถึงความเครียด การเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทาน (R/R) ที่ตัวต้านทานเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องทำให้เกิดเมื่ออยู่ภายใต้ความเครียดนั้นพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทาน ดังนั้นสมการเชิงสัมพันธ์ข้างต้นสำหรับเอฟเฟกต์เพียโซรีซิสทีฟจึงสามารถเขียนได้เป็น R/R=πσ

ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก ความเค้นของพื้นดิน (σ) และความเครียด (ε) บางอย่างเกิดขึ้นในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ ความสัมพันธ์ภายในระหว่างกันถูกกำหนดโดยโมดูลัส (Y) ของ Young' ของวัตถุดิบ นั่นคือ Y=σ/ε

ถ้าแสดงเอฟเฟกต์เพียโซรีซิสทีฟในแง่ของความเครียดที่เซมิคอนดักเตอร์สามารถต้านทานได้ R/R=Gε

G เรียกว่าปัจจัยความไวของเซ็นเซอร์ความดัน ซึ่งแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความต้านทานที่เกิดจากความเครียดของหน่วย

ดัชนี piezoresistive หรือปัจจัยความคล่องแคล่วเป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพพื้นฐานของผล piezoresistive ของเซมิคอนดักเตอร์ ความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาเหมือนกับความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นพื้นดินและความเครียด ซึ่งกำหนดโดยโมดูลัส Young' ของวัตถุดิบ นั่นคือ G=πY

เนื่องจากคริสตัลของเซมิคอนดักเตอร์มีความยืดหยุ่นในเชิงแอนไอโซทรอปิก โมดูลัส Young' และค่าสัมประสิทธิ์เพียโซรีซิสทีฟจึงเปลี่ยนไปตามการวางแนวของคริสตัล ขนาดของเอฟเฟกต์เพียโซรีซิสทีฟของเซมิคอนดักเตอร์นั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความต้านทานของเซมิคอนดักเตอร์เช่นกัน ยิ่งความต้านทานต่ำ ค่าปัจจัยความไวก็จะยิ่งน้อยลง ผลเพียโซรีซิสทีฟของตัวต้านทานการแพร่จะถูกกำหนดโดยแนวโน้มการตกผลึกและความเข้มข้นของสิ่งเจือปนของตัวต้านทานการแพร่ ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่สำคัญหมายถึงความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่พื้นผิวของชั้นการแพร่กระจาย