第八章壓阻式傳感器1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2壓阻式壓力傳感器原理和電路

(1)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片(2)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器(3)測量橋路及溫度補(bǔ)償3壓阻式傳感器的應(yīng)用下一頁返回第八章壓阻式傳感器1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)下一頁返1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。上一頁返回下一頁1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制造的傳感器。一、壓阻效應(yīng)及壓阻系數(shù)壓阻效應(yīng)：在半導(dǎo)體材料上施加作用力，其電阻率發(fā)生變化。壓阻式壓力傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制造的傳感器。壓阻式壓4壓阻式傳感器的特點靈敏度高:硅應(yīng)變電阻的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片高50～100倍，故相應(yīng)的傳感器靈敏度很高，一般滿量程輸出為100mv左右。因此對接口電路無特殊要求，應(yīng)用成本相應(yīng)較低。分辨率高:能分辨1mmH2O(9.8Pa)的壓力變化。體積小、重量輕、頻率響應(yīng)高:由于芯體采用集成工藝，又無傳動部件，因此體積小，重量輕。小尺寸芯片加上硅極高的彈性系數(shù)，敏感元件的固有頻率很高。在動態(tài)應(yīng)用時，動態(tài)精度高，使用頻帶寬，合理選擇設(shè)計傳感器外型，使用帶寬可以從靜態(tài)至100千赫茲。溫度誤差大:須溫度補(bǔ)償、或恒溫使用。由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，四個應(yīng)變電阻的一致性可做的很高，加之計算機(jī)自動補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)步，目前硅壓阻傳感器的零位與靈敏度溫度系數(shù)已可達(dá)10-5/℃數(shù)量級,即在壓力傳感器領(lǐng)域已超過的應(yīng)變式傳感器的水平。4壓阻式傳感器的特點靈敏度高:硅應(yīng)變電阻的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變壓阻效應(yīng)

金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻率πl(wèi)為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。上一頁返回下一頁壓阻效應(yīng)金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻6參考知識：晶向的表示方法1)半導(dǎo)體單晶硅是各向異性材料;2)硅是立方晶體，按晶軸建立座標(biāo)系;3)晶面：原子或離子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：晶面的法線方向.X(1)Y(2)Z(3)6參考知識：晶向的表示方法1)半導(dǎo)體單晶硅是各向異性材料;X7晶面表示方法zxyrst截距式：法線式：r,s,t－x,y,z軸的截距cosα,cosβ,cosγ－法線的方向余弦法線長度7晶面表示方法zxyrst截距式：法線式：r,s,t－x,y8密勒指數(shù)三個沒有公約數(shù)的整數(shù)密勒指數(shù)密勒指數(shù)：截距的倒數(shù)化成的三個沒有公約數(shù)的整數(shù)。(方向余弦比的整數(shù)化表示）8密勒指數(shù)三個沒有公約數(shù)的整數(shù)密勒指數(shù)密勒指數(shù)：截距的倒數(shù)化9表示方式表示晶面表示晶向表示晶面族對立方晶體來說，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l)晶面的法線方向；{h,k,l}晶面族的晶面都與（h,k,l)晶面平行。9表示方式表示晶面表示晶向表示晶面族對立方晶體來說，＜h,k10例：晶向、晶面、晶面族分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：xy111zzxy4-2-210例：晶向、晶面、晶面族分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：11例：（特殊情況）xyz11例：（特殊情況）xyz對半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項可以忽略半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應(yīng)變引起的半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示

半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小上一頁返回下一頁對半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項可13壓阻系數(shù)一、單晶硅的壓阻系數(shù)312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ1313壓阻系數(shù)一、單晶硅的壓阻系數(shù)312σ22σ23σ21σ314材料阻值變化六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：廣義：14材料阻值變化六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率15六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：正應(yīng)力剪應(yīng)力15六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：正應(yīng)力剪應(yīng)16電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系16電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系17表面雜質(zhì)濃度Ns（1/cm3)π11或π44三、影響壓阻系數(shù)大小的因素1、壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)減小P型Si（π44)N型Si（π11)17表面雜質(zhì)濃度Ns（1/cm3)π11三、影響壓阻系數(shù)大小18解釋：ρ：電阻率

n：載流子濃度e：載流子所帶電荷μ：載流子遷移率Ns↑→雜質(zhì)原子數(shù)多→載流子多→n↑→ρ↓雜質(zhì)濃度Ns↑→n↑→在應(yīng)力作用下ρ的變化更小→△ρ↓↓→△ρ/ρ↓的變化率減小壓阻系數(shù)減小18解釋：ρ：電阻率Ns↑→雜質(zhì)原子數(shù)多→載流子多→n↑→19溫度Tπ442、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度升高時，壓阻系數(shù)減小；表面雜質(zhì)濃度增加時，溫度對壓阻系數(shù)的影響變?。ㄏ陆邓俣茸兟?。Ns小Ns大19溫度Tπ442、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度升高時，壓阻系數(shù)20解釋：T↑→載流子獲得的動能↑→運動紊亂程度↑→μ↓→ρ↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大，μ變化較小→π變化小Ns小，μ變化大→π變化大20解釋：T↑→載流子獲得的動能↑→運動紊亂程度↑→μ↓→21載流子濃度影響總結(jié)Ns比較大時：a.π受溫度影響小c.高濃度擴(kuò)散，使p-n結(jié)擊穿電壓↓→絕緣電阻↓→漏電→漂移→性能不穩(wěn)定b.Ns↑→π↓→靈敏度↓結(jié)論：綜合考慮靈敏度和溫度誤差，根據(jù)應(yīng)用條件適當(dāng)選擇載流子的濃度。21載流子濃度影響總結(jié)Ns比較大時：c.高濃度擴(kuò)散，使p-n22壓阻效應(yīng)的原因:應(yīng)力作用晶格變形能帶結(jié)構(gòu)變化載流子濃度和遷移率變化22壓阻效應(yīng)的原因:應(yīng)力作用晶格變形能帶結(jié)構(gòu)變化載流子濃度和2壓阻式壓力傳感器原理和電路(1)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片(2)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器(3)測量橋路及溫度補(bǔ)償2壓阻式壓力傳感器原理和電路(1)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片24參考知識：敏感元件加工技術(shù)1.薄膜技術(shù)

薄膜技術(shù)是在一定的基底上,用真空蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相淀積（CVD）等工藝技術(shù)加工成零點幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈性元件,也可加工為轉(zhuǎn)換元件,有的可作為絕緣膜,有的可用作控制尺寸的犧牲層,在傳感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。24參考知識：敏感元件加工技術(shù)1.薄膜技術(shù)25在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱,當(dāng)真空度抽到0.0133Pa以上時,加大鎢絲的加熱電流,使材料融化,繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā),在基底上凝聚成膜。如圖所示。真空蒸鍍圖中,1—真空室,2—基底,3—鎢絲,4—接高真空泵。25在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱,當(dāng)26在低真空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在1000V以上）使氣體電離形成等離子體,等離子中的正離子以高能量轟擊靶面,使靶材的原子離開靶面,淀積到陽極工作臺上的基片上,形成薄膜,如圖所示。濺射圖中,1—靶,2—陰極,3—直流高壓,4—陽極,5—基片,6—惰性氣體入口,7—接真空系統(tǒng)。26在低真空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在127

化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一種氣體化合物在一個反應(yīng)室中進(jìn)行反應(yīng),生成固態(tài)的淀積物質(zhì),淀積在基底上生成薄膜,如圖所示?；瘜W(xué)氣相淀積（CVD）圖中,1—反應(yīng)氣體A入口,2—分子篩,3—混合器,4—加熱器,5—反應(yīng)室,6—基片,7—閥門,8—反應(yīng)氣體B入口27化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一282、微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐蝕速度與摻雜濃度的關(guān)系,對硅材料進(jìn)行精細(xì)加工、制作復(fù)雜微小的敏感元件的技術(shù)。1)體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工常用化學(xué)腐蝕液（濕法）和離子刻蝕（干法）技術(shù)（采用惰性氣體）。2)表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)該工藝的特點是利用稱為“犧牲層”的分離層,形成各種懸式結(jié)構(gòu)。282、微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐291）如圖(a)、(b)所示,先在單晶硅的（100）晶面生長一層氧化層作為光掩膜,并在其上覆蓋光刻膠形成圖案,再浸入氫氟酸中,進(jìn)行氧化層腐蝕；2）將此片置于各向異性的腐蝕液（如乙二胺＋鄰苯二酚＋水）對晶面進(jìn)行縱向腐蝕,腐蝕出腔體的界面為（111）面,與（100）表面的夾角為54.74°,如圖(c)所示。單晶硅立體結(jié)構(gòu)的腐蝕加工過程291）如圖(a)、(b)所示,先在單晶硅的（100）晶面生30利用該工藝制造多晶硅梁的過程：1）在N型硅（100）基底上淀積一層Si3N4作為多晶硅的絕緣支撐,并刻出窗口,如圖(a)所示。利用局部氧化技術(shù)在窗口處生成一層SiO2作為犧牲層,如圖(b)所示；2）在SiO2層及余下的Si3N4上生成一層多晶硅膜（PoLy-Si)并刻出微型硅梁,如圖(c)所示。腐蝕掉SiO2層形成空腔,即可得到橋式硅梁,如圖(d)所示。另外,在腐蝕SiO2層前先濺鋁,刻出鋁壓焊塊,以便引線。表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)形成硅梁過程30利用該工藝制造多晶硅梁的過程：表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)31圖(a)為方形平膜片結(jié)構(gòu),除用于壓力傳感器外,亦可用于電容式傳感器。圖(b)為懸臂梁結(jié)構(gòu),可用于加速度傳感器。圖(c)為橋式結(jié)構(gòu),圖(d)為支撐膜結(jié)構(gòu),圖(e)為E型膜（硬中心）結(jié)構(gòu),這些都是常用于應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)。微型硅應(yīng)變式傳感器的一些基本結(jié)構(gòu)31圖(a)為方形平膜片結(jié)構(gòu),除用于壓力傳感器外,亦可用于電上一頁返回下一頁（1）體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片

1.結(jié)構(gòu)型式及特點2.測量電路上一頁返回下一頁（1）體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片1.1.結(jié)構(gòu)型式及特點

主要優(yōu)點是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多上一頁返回下一頁1.結(jié)構(gòu)型式及特點主要優(yōu)點是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式1-P型單晶硅條2-內(nèi)引線3-焊接電極4-外引線對于恒壓源電橋電路，考慮到環(huán)境溫度變化的影響，其關(guān)系式為：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式1-P型單晶硅條對于恒壓源電橋2.測量電路

恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。R為應(yīng)變片阻值，ΔR為應(yīng)變片阻值變化，ΔRt為環(huán)境溫度變化受環(huán)境溫度引起阻值的變化電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。上一頁返回下一頁2.測量電路恒壓源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出（2）擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜上一頁返回下一頁（2）擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖采用N工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。

四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定。設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。上一頁返回下一頁工作原理：設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。上擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點:體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。上一頁返回下一頁擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點:體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動（3）測量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補(bǔ)償誤差措施

1.測量電橋

2.零點溫度補(bǔ)償

3.靈敏度溫度補(bǔ)償上一頁返回下一頁（3）測量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在1.測量電橋恒流源供電的全橋差動電路假設(shè)ΔRT為溫度引起的電阻變化電橋的輸出為電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關(guān)，因此測量不受溫度的影響。上一頁返回下一頁1.測量電橋恒流源供電的全橋差動電路假設(shè)ΔRT為溫度引起2.溫度漂移及其補(bǔ)償上一頁返回UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移

零漂擴(kuò)散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移壓阻系數(shù)隨溫度變化零位溫漂串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用2.溫度漂移及其補(bǔ)償上一頁返回UR1R2R4R3U42補(bǔ)償原理：R1R2USCR3R4RsRpU設(shè)右上角加'的為低溫下對應(yīng)的值；設(shè)右上角加''的為高溫下對應(yīng)的值。42補(bǔ)償原理：R1R2USCR3R4RsRpU設(shè)右上角加'的43若RsRp溫度特性已知：-----串聯(lián)電阻的溫度系數(shù)（負(fù)值）；-----并聯(lián)電阻的溫度系數(shù)（負(fù)值）；聯(lián)立上面四方程，可以得：常溫下的值43若RsRp溫度特性已知：-----串聯(lián)電阻的溫度系數(shù)3.靈敏度溫度補(bǔ)償補(bǔ)償靈敏度漂移原理：溫度升高時，靈敏度降低，這時如果提高電源電壓，使電橋輸出適當(dāng)增大，便可達(dá)到補(bǔ)償目的。溫度升高時，二極管壓降降低，可使電橋電源電壓提高，關(guān)鍵是適當(dāng)選擇串聯(lián)二極管的個數(shù)。3.靈敏度溫度補(bǔ)償補(bǔ)償靈敏度漂移原理：45若RsRp阻值不隨溫度變化，則：聯(lián)立上面二方程，可以得：對比上述兩種方法！45若RsRp阻值不隨溫度變化，則：聯(lián)立上面二方程，可以得46壓阻式傳感器常用補(bǔ)償方法1)硬件線路補(bǔ)償2)軟件補(bǔ)償3)專用補(bǔ)償芯片補(bǔ)償

MCA7707(MAX1457)是一種采用CMOS工藝的模擬傳感信號處理器。通常被應(yīng)用于壓阻式壓力傳感器的校正和溫度補(bǔ)償。46壓阻式傳感器常用補(bǔ)償方法1)硬件線路補(bǔ)償3壓阻式傳感器的應(yīng)用1.擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2.差頻壓阻式壓力傳感器3.壓阻式加速度傳感器3壓阻式傳感器的應(yīng)用1.擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器1.擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器1-低壓腔2-高壓腔3-硅杯4-引線5-硅膜片在膜片位移量遠(yuǎn)小于膜片的厚度時，受均勻壓力的圓形硅膜片上各點的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力,可分別用下式計算:1.擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器1-低壓腔2-高壓腔3-優(yōu)點：擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點就是體積小、結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)相應(yīng)好，靈敏度高，滯后、蠕變小，頻率相應(yīng)高，性能穩(wěn)定，成本低，便于批量生產(chǎn)。優(yōu)點：擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點就是體積小、結(jié)構(gòu)簡單，2.差頻壓阻式壓力傳感器差頻壓阻式壓力傳感器工作原理圖（a）分布阻容網(wǎng)絡(luò)；（b）相移振蕩器；（c）差頻振蕩壓阻式壓力傳感器組合2.差頻壓阻式壓力傳感器差頻壓阻式壓力傳感器工作原理圖（a獨立的相移正弦振蕩器振蕩頻率為：壓力的變化：獨立的相移正弦振蕩器振蕩頻率為：壓力的變化：在實際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度和克服零點漂移，一般都采用差頻輸出的形式。也就是在選擇適當(dāng)?shù)木蚝蛿U(kuò)散電阻的位置，做成兩套相移振蕩器并連接寬帶放大器和頻率綜合器，將其組合在一起構(gòu)成差頻壓阻式壓力傳感器，在實際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度和克服零點漂移，一般都采3壓阻式加速度傳感器

它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴(kuò)散電阻擴(kuò)散在其根部兩面。擴(kuò)散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a上一頁返回下一頁3壓阻式加速度傳感器它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴(kuò)壓阻式加速度傳感器1-基座；2-擴(kuò)散電阻；3-單晶硅懸臂梁；4-質(zhì)量塊。利用單晶硅作懸臂梁，在其根部擴(kuò)散出4個電阻，當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時，就將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，產(chǎn)生應(yīng)力，使4個電阻值發(fā)生變化。電橋不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。KuliteGAE813固態(tài)壓阻式加速度計的有關(guān)參數(shù)：量程10～100g；靈敏度：1～5V/g；非線性誤差：土1％；溫度范圍：-40一+200；固有頻率：1000～2000Hz。壓阻式加速度傳感器1-基座；2-擴(kuò)散電阻；3-單晶硅懸臂梁；三、壓阻式壓力傳感器的測量方式測量絕對壓力、表壓力和差動壓力。（可作為液位傳感器）四、應(yīng)用電路（討論）1、恒壓工作測壓電路實際測量時，在兩條傳輸線上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾噪聲，有時是完全相同的干擾，稱共模干擾，一般采用測量放大器。A1,A2,A3構(gòu)成一個三運放測量放大器，其具有高線性度、高共模抑制比與低噪聲。調(diào)整Rp1可以改變增益而不影響電路的對稱性。常用的AD521、AD522、AD624為單片集成測量放大器，只需外接Rp1用于設(shè)定增益。三、壓阻式壓力傳感器的測量方式四、應(yīng)用電路（討論）實際測量時2、壓力控制電路2、壓力控制電路第8章-壓阻式傳感器解讀課件第八章壓阻式傳感器1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2壓阻式壓力傳感器原理和電路

(1)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片(2)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器(3)測量橋路及溫度補(bǔ)償3壓阻式傳感器的應(yīng)用下一頁返回第八章壓阻式傳感器1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)下一頁返1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。上一頁返回下一頁1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制造的傳感器。一、壓阻效應(yīng)及壓阻系數(shù)壓阻效應(yīng)：在半導(dǎo)體材料上施加作用力，其電阻率發(fā)生變化。壓阻式壓力傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制造的傳感器。壓阻式壓61壓阻式傳感器的特點靈敏度高:硅應(yīng)變電阻的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片高50～100倍，故相應(yīng)的傳感器靈敏度很高，一般滿量程輸出為100mv左右。因此對接口電路無特殊要求，應(yīng)用成本相應(yīng)較低。分辨率高:能分辨1mmH2O(9.8Pa)的壓力變化。體積小、重量輕、頻率響應(yīng)高:由于芯體采用集成工藝，又無傳動部件，因此體積小，重量輕。小尺寸芯片加上硅極高的彈性系數(shù)，敏感元件的固有頻率很高。在動態(tài)應(yīng)用時，動態(tài)精度高，使用頻帶寬，合理選擇設(shè)計傳感器外型，使用帶寬可以從靜態(tài)至100千赫茲。溫度誤差大:須溫度補(bǔ)償、或恒溫使用。由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，四個應(yīng)變電阻的一致性可做的很高，加之計算機(jī)自動補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)步，目前硅壓阻傳感器的零位與靈敏度溫度系數(shù)已可達(dá)10-5/℃數(shù)量級,即在壓力傳感器領(lǐng)域已超過的應(yīng)變式傳感器的水平。4壓阻式傳感器的特點靈敏度高:硅應(yīng)變電阻的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變壓阻效應(yīng)

金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻率πl(wèi)為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。上一頁返回下一頁壓阻效應(yīng)金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻63參考知識：晶向的表示方法1)半導(dǎo)體單晶硅是各向異性材料;2)硅是立方晶體，按晶軸建立座標(biāo)系;3)晶面：原子或離子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：晶面的法線方向.X(1)Y(2)Z(3)6參考知識：晶向的表示方法1)半導(dǎo)體單晶硅是各向異性材料;X64晶面表示方法zxyrst截距式：法線式：r,s,t－x,y,z軸的截距cosα,cosβ,cosγ－法線的方向余弦法線長度7晶面表示方法zxyrst截距式：法線式：r,s,t－x,y65密勒指數(shù)三個沒有公約數(shù)的整數(shù)密勒指數(shù)密勒指數(shù)：截距的倒數(shù)化成的三個沒有公約數(shù)的整數(shù)。(方向余弦比的整數(shù)化表示）8密勒指數(shù)三個沒有公約數(shù)的整數(shù)密勒指數(shù)密勒指數(shù)：截距的倒數(shù)化66表示方式表示晶面表示晶向表示晶面族對立方晶體來說，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l)晶面的法線方向；{h,k,l}晶面族的晶面都與（h,k,l)晶面平行。9表示方式表示晶面表示晶向表示晶面族對立方晶體來說，＜h,k67例：晶向、晶面、晶面族分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：xy111zzxy4-2-210例：晶向、晶面、晶面族分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：68例：（特殊情況）xyz11例：（特殊情況）xyz對半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項可以忽略半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應(yīng)變引起的半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示

半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小上一頁返回下一頁對半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項可70壓阻系數(shù)一、單晶硅的壓阻系數(shù)312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ1313壓阻系數(shù)一、單晶硅的壓阻系數(shù)312σ22σ23σ21σ371材料阻值變化六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：廣義：14材料阻值變化六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率72六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：正應(yīng)力剪應(yīng)力15六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：正應(yīng)力剪應(yīng)73電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系16電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系74表面雜質(zhì)濃度Ns（1/cm3)π11或π44三、影響壓阻系數(shù)大小的因素1、壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)減小P型Si（π44)N型Si（π11)17表面雜質(zhì)濃度Ns（1/cm3)π11三、影響壓阻系數(shù)大小75解釋：ρ：電阻率

n：載流子濃度e：載流子所帶電荷μ：載流子遷移率Ns↑→雜質(zhì)原子數(shù)多→載流子多→n↑→ρ↓雜質(zhì)濃度Ns↑→n↑→在應(yīng)力作用下ρ的變化更小→△ρ↓↓→△ρ/ρ↓的變化率減小壓阻系數(shù)減小18解釋：ρ：電阻率Ns↑→雜質(zhì)原子數(shù)多→載流子多→n↑→76溫度Tπ442、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度升高時，壓阻系數(shù)減?。槐砻骐s質(zhì)濃度增加時，溫度對壓阻系數(shù)的影響變小（下降速度變慢）。Ns小Ns大19溫度Tπ442、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度升高時，壓阻系數(shù)77解釋：T↑→載流子獲得的動能↑→運動紊亂程度↑→μ↓→ρ↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大，μ變化較小→π變化小Ns小，μ變化大→π變化大20解釋：T↑→載流子獲得的動能↑→運動紊亂程度↑→μ↓→78載流子濃度影響總結(jié)Ns比較大時：a.π受溫度影響小c.高濃度擴(kuò)散，使p-n結(jié)擊穿電壓↓→絕緣電阻↓→漏電→漂移→性能不穩(wěn)定b.Ns↑→π↓→靈敏度↓結(jié)論：綜合考慮靈敏度和溫度誤差，根據(jù)應(yīng)用條件適當(dāng)選擇載流子的濃度。21載流子濃度影響總結(jié)Ns比較大時：c.高濃度擴(kuò)散，使p-n79壓阻效應(yīng)的原因:應(yīng)力作用晶格變形能帶結(jié)構(gòu)變化載流子濃度和遷移率變化22壓阻效應(yīng)的原因:應(yīng)力作用晶格變形能帶結(jié)構(gòu)變化載流子濃度和2壓阻式壓力傳感器原理和電路(1)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片(2)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器(3)測量橋路及溫度補(bǔ)償2壓阻式壓力傳感器原理和電路(1)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片81參考知識：敏感元件加工技術(shù)1.薄膜技術(shù)

薄膜技術(shù)是在一定的基底上,用真空蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相淀積（CVD）等工藝技術(shù)加工成零點幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈性元件,也可加工為轉(zhuǎn)換元件,有的可作為絕緣膜,有的可用作控制尺寸的犧牲層,在傳感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。24參考知識：敏感元件加工技術(shù)1.薄膜技術(shù)82在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱,當(dāng)真空度抽到0.0133Pa以上時,加大鎢絲的加熱電流,使材料融化,繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā),在基底上凝聚成膜。如圖所示。真空蒸鍍圖中,1—真空室,2—基底,3—鎢絲,4—接高真空泵。25在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱,當(dāng)83在低真空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在1000V以上）使氣體電離形成等離子體,等離子中的正離子以高能量轟擊靶面,使靶材的原子離開靶面,淀積到陽極工作臺上的基片上,形成薄膜,如圖所示。濺射圖中,1—靶,2—陰極,3—直流高壓,4—陽極,5—基片,6—惰性氣體入口,7—接真空系統(tǒng)。26在低真空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在184

化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一種氣體化合物在一個反應(yīng)室中進(jìn)行反應(yīng),生成固態(tài)的淀積物質(zhì),淀積在基底上生成薄膜,如圖所示?；瘜W(xué)氣相淀積（CVD）圖中,1—反應(yīng)氣體A入口,2—分子篩,3—混合器,4—加熱器,5—反應(yīng)室,6—基片,7—閥門,8—反應(yīng)氣體B入口27化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一852、微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐蝕速度與摻雜濃度的關(guān)系,對硅材料進(jìn)行精細(xì)加工、制作復(fù)雜微小的敏感元件的技術(shù)。1)體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工常用化學(xué)腐蝕液（濕法）和離子刻蝕（干法）技術(shù)（采用惰性氣體）。2)表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)該工藝的特點是利用稱為“犧牲層”的分離層,形成各種懸式結(jié)構(gòu)。282、微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐861）如圖(a)、(b)所示,先在單晶硅的（100）晶面生長一層氧化層作為光掩膜,并在其上覆蓋光刻膠形成圖案,再浸入氫氟酸中,進(jìn)行氧化層腐蝕；2）將此片置于各向異性的腐蝕液（如乙二胺＋鄰苯二酚＋水）對晶面進(jìn)行縱向腐蝕,腐蝕出腔體的界面為（111）面,與（100）表面的夾角為54.74°,如圖(c)所示。單晶硅立體結(jié)構(gòu)的腐蝕加工過程291）如圖(a)、(b)所示,先在單晶硅的（100）晶面生87利用該工藝制造多晶硅梁的過程：1）在N型硅（100）基底上淀積一層Si3N4作為多晶硅的絕緣支撐,并刻出窗口,如圖(a)所示。利用局部氧化技術(shù)在窗口處生成一層SiO2作為犧牲層,如圖(b)所示；2）在SiO2層及余下的Si3N4上生成一層多晶硅膜（PoLy-Si)并刻出微型硅梁,如圖(c)所示。腐蝕掉SiO2層形成空腔,即可得到橋式硅梁,如圖(d)所示。另外,在腐蝕SiO2層前先濺鋁,刻出鋁壓焊塊,以便引線。表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)形成硅梁過程30利用該工藝制造多晶硅梁的過程：表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)88圖(a)為方形平膜片結(jié)構(gòu),除用于壓力傳感器外,亦可用于電容式傳感器。圖(b)為懸臂梁結(jié)構(gòu),可用于加速度傳感器。圖(c)為橋式結(jié)構(gòu),圖(d)為支撐膜結(jié)構(gòu),圖(e)為E型膜（硬中心）結(jié)構(gòu),這些都是常用于應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)。微型硅應(yīng)變式傳感器的一些基本結(jié)構(gòu)31圖(a)為方形平膜片結(jié)構(gòu),除用于壓力傳感器外,亦可用于電上一頁返回下一頁（1）體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片

1.結(jié)構(gòu)型式及特點2.測量電路上一頁返回下一頁（1）體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片1.1.結(jié)構(gòu)型式及特點

主要優(yōu)點是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多上一頁返回下一頁1.結(jié)構(gòu)型式及特點主要優(yōu)點是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式1-P型單晶硅條2-內(nèi)引線3-焊接電極4-外引線對于恒壓源電橋電路，考慮到環(huán)境溫度變化的影響，其關(guān)系式為：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式1-P型單晶硅條對于恒壓源電橋2.測量電路

恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。R為應(yīng)變片阻值，ΔR為應(yīng)變片阻值變化，ΔRt為環(huán)境溫度變化受環(huán)境溫度引起阻值的變化電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。上一頁返回下一頁2.測量電路恒壓源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出（2）擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜上一頁返回下一頁（2）擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖采用N工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。

四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定。設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。上一頁返回下一頁工作原理：設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。上擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點:體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。上一頁返回下一頁擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點:體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動（3）測量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補(bǔ)償誤差措施

1.測量電橋

2.零點溫度補(bǔ)償

3.靈敏度溫度補(bǔ)償上一頁返回下一頁（3）測量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在1.測量電橋恒流源供電的全橋差動電路假設(shè)ΔRT為溫度引起的電阻變化電橋的輸出為電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關(guān)，因此測量不受溫度的影響。上一頁返回下一頁1.測量電橋恒流源供電的全橋差動電路假設(shè)ΔRT為溫度引起2.溫度漂移及其補(bǔ)償上一頁返回UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移

零漂擴(kuò)散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移壓阻系數(shù)隨溫度變化零位溫漂串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用2.溫度漂移及其補(bǔ)償上一頁返回UR1R2R4R3U99補(bǔ)償原理：R1R2USCR3R4RsRpU設(shè)右上角加'的為低溫下對應(yīng)的值；設(shè)右上角加''的為高溫下對應(yīng)的值。42補(bǔ)償原理：R1R2USCR3R4RsRpU設(shè)右上角加'的100若RsRp溫度特性已知：-----串聯(lián)電阻的溫度系數(shù)（負(fù)值）；-----并聯(lián)電阻的溫度系數(shù)（負(fù)值）；聯(lián)立上面四方程，可以得：常溫下的值43若RsRp溫度特性已知：-----串聯(lián)電阻的溫度系數(shù)3.靈敏度溫度補(bǔ)償補(bǔ)償靈敏度漂移原理：溫度升高時，靈敏度降低，這時