半導體應變片是一種利用半導體材料的壓阻效應來測量力學應變的傳感器。當半導體材料受到外力作用時，其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導致載流子（電子和空穴）的濃度和遷移率發(fā)生變化，進而引起材料電阻率的改變。以下是對半導體應變片受力時阻值變化原因的詳盡分析。

1. 壓阻效應原理

半導體應變片的工作原理基于壓阻效應，即半導體材料在受到機械應力作用時，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種效應是由于應力作用下，半導體晶格的周期性排列發(fā)生畸變，改變了載流子在晶格中的運動軌跡，從而影響了材料的導電性能。

2. 載流子濃度和遷移率的變化

當半導體材料受到應力作用時，晶格的變形會導致載流子的有效質(zhì)量改變，進而影響載流子的濃度和遷移率。這種變化最終反映為電阻值的增加或減少。

3. 晶格結(jié)構(gòu)的變形

半導體應變片通常采用單晶硅作為敏感材料，因為單晶硅具有較高的壓阻效應。在外力作用下，硅晶格的對稱性降低，晶格常數(shù)發(fā)生變化，引起能帶結(jié)構(gòu)的改變。特別是對于p型半導體，空穴的有效質(zhì)量對晶格畸變非常敏感，導致電阻率的變化更為顯著。

4. 電阻值的變化

半導體應變片的電阻變化可以通過惠斯通電橋來測量。當應變片粘貼在被測結(jié)構(gòu)上時，結(jié)構(gòu)的應變會引起應變片的電阻變化。這種變化通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大和濾波后，可以得到與應變成正比的電信號輸出。

5. 溫度效應的影響

溫度變化也會影響半導體應變片的性能，因為溫度會改變載流子的濃度和遷移率。為了減少溫度變化對測量結(jié)果的影響，通常采用溫度補償技術，如使用P型和N型半導體應變片的組合來抵消溫度效應。

6. 半導體應變片的分類

半導體應變片根據(jù)制造工藝和結(jié)構(gòu)不同，可以分為擴散型、外延型和薄膜型等幾種類型 31 。每種類型的應變片都有其獨特的特性和應用領域。

7. 應用領域

半導體應變片廣泛應用于各種工程領域，包括機械工程、航空航天、土木工程等。它們可以用來測量應力、應變、壓力、扭矩、加速度等機械量。

8. 結(jié)論

半導體應變片是一種高靈敏度、高穩(wěn)定性的傳感器，能夠準確測量各種機械應變。其電阻值的變化主要由壓阻效應引起，即在外力作用下，半導體材料晶格結(jié)構(gòu)的變形導致載流子濃度和遷移率的變化。通過適當?shù)脑O計和補償技術，半導體應變片可以廣泛應用于各種測量領域。