之前篇幅中討論的測(cè)壓儀表都是利用彈性元件產(chǎn)生變形工作的，儀表內(nèi)總包含一個(gè)運(yùn)動(dòng)部分，固態(tài)測(cè)壓儀表是利用某些元件固有的物理特性，如利用壓電效應(yīng)（壓電體受壓力作用時(shí)表面出現(xiàn)電荷)、壓磁效應(yīng)(磁性材料受壓時(shí)各方向的磁導(dǎo)率發(fā)生變化)、壓阻效應(yīng)(半導(dǎo)體材料受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化)等直接將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于沒有活動(dòng)部件，儀表的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，工作可靠，頻率響應(yīng)范圍較寬。

是一種根據(jù)壓阻效應(yīng)工作的半導(dǎo)體壓力測(cè)量元件的示意圖，在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶軸方向擴(kuò)散著一些長(zhǎng)條形電阻。當(dāng)硅膜片上下兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。

圖：擴(kuò)散式半導(dǎo)體壓力測(cè)量元件原理

需要說(shuō)明，這里擴(kuò)散電阻的變化，在機(jī)理上和金屬絲應(yīng)變電阻不同。普通的金屬電阻絲受力變形時(shí),其電阻的變化是由幾何尺寸變化引起的，由電阻絲的長(zhǎng)度和截面積s的變化引起的。而半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻在受應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部晶格之間的距離發(fā)生變化，使禁帶寬度及載流子濃度和遷移率改變，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的電阻率p發(fā)生強(qiáng)烈的變化。實(shí)踐表明，半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻的電阻變化主要是由電阻率p的變化造成的，其靈敏度比金屬應(yīng)變電阻高100倍左右。

為了減小半導(dǎo)體電阻隨溫度變化引起的誤差，在硅膜片上常擴(kuò)散4個(gè)阻值相等的電阻，以便接成橋式輸出電路獲得溫度補(bǔ)償。力學(xué)分析表明，平面式的彈性膜片受壓變形時(shí)，中心區(qū)與四周的應(yīng)力方向是不同的。當(dāng)中心區(qū)受拉應(yīng)力時(shí)，周圍區(qū)域?qū)⑹軌簯?yīng)力，離中心為半徑60%左右的地方，應(yīng)力為零。根據(jù)這樣的分析，在膜片上用擴(kuò)散方法制造電阻時(shí)，將4個(gè)橋臂電阻中的兩個(gè)置于受拉區(qū)，另兩個(gè)置于受壓區(qū)，這樣，接成推挽電路測(cè)量壓力時(shí)，電阻溫度漂移可以得到很好的補(bǔ)償，而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時(shí)，橋路輸出信號(hào)幅度可達(dá)幾百毫伏。這樣，后面只要用一個(gè)不太復(fù)雜的電路，便可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。

硅杯被燒結(jié)在膨脹系數(shù)和自己相同的玻璃臺(tái)座上，以保證溫度變化時(shí)硅膜片不受附加應(yīng)力。盡管如此，由于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度的敏感性，溫度漂移始終是這類傳感器的主要問題。為解決這一問題，常在硅膜片上同時(shí)擴(kuò)散專用的溫度測(cè)量電阻，以便按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑瓌t，在寬范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。在工業(yè)測(cè)量中，為避免被測(cè)介質(zhì)對(duì)硅膜片的腐蝕或毒害，硅膜片被置于相似的膜盒內(nèi)，被測(cè)介質(zhì)在隔離膜片之外，壓力只能通過膜盒內(nèi)中性的硅油傳遞給硅膜片。目前用這種敏感元件制成的壓力儀表精度可達(dá)0.25級(jí)或更高。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，便于用半導(dǎo)體工藝大量生產(chǎn)，降低價(jià)格，因而成為低價(jià)位壓力變送器的主流產(chǎn)品。