第8章 压阻式传感器

《第8章 压阻式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章 压阻式传感器（57页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、1 半导体的压阻效应2 压阻式压力传感器原理和电路 (1) 体型半导体应变片 (2) 扩散型压阻式压力传感器 (3) 测量桥路及温度补偿3 压阻式传感器的应用下一页返 回固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传因为半导体材料对温度很

2、敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。上一页返 回下一页利用半导体材料的利用半导体材料的压阻效应压阻效应和集成电路技术制造的传和集成电路技术制造的传感器。感器。一、压阻效应及压阻系数一、压阻效应及压阻系数压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。压阻式压力传感器4灵敏度高灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50100倍，故相应的传倍，故相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电

3、路无特殊要求，左右。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。应用成本相应较低。分辨率高分辨率高: 能分辨能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。的压力变化。体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从静态至计传感器外型，使用带宽可以从

4、静态至100千赫兹。千赫兹。温度误差大温度误差大: 须温度补偿、或恒温使用。须温度补偿、或恒温使用。由于微电子技术的进步，四个应变由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高，加之计电阻的一致性可做的很高，加之计算机自动补偿技术的进步，目前硅算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达数已可达10-5/数量级数量级,即在压力传即在压力传感器领域已超过的应变式传感器的感器领域已超过的应变式传感器的水平。水平。 金属材料 半导体材料 lllEl 半导体电阻率 l为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关

5、；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。 上一页返 回下一页(12)RR (12)lRER61)半导体单晶硅是半导体单晶硅是各向异性各向异性材料材料;2)硅是硅是立方立方晶体，按晶轴建立座标系晶体，按晶轴建立座标系;3)晶面：原子或离子可看作分布在相互平晶面：原子或离子可看作分布在相互平行的一簇晶面上行的一簇晶面上;4)晶向：晶面的法线方向晶向：晶面的法线方向.X(1)Y(2)Z(3)7zxyrstp截距式截距式：法线式法线式：r,s,tx,y,z轴的截距轴的截距cos,cos,cos法线的方向余弦法线的方向余弦法线长度8lkhtsr:1:1:1取三个没有公约数的整数密勒指数密勒指数：截距的倒

6、数化成的三个没有公密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）方向余弦比的整数化表示）1coscoscospzpypx1tzsyrxtsr1:1:1cos:cos:cos9表示晶面表示晶面表示晶向表示晶向表示晶面族表示晶面族对立方晶体来说，对立方晶体来说，h,k,l晶向是（晶向是（h,k,l) 晶面的法线方晶面的法线方向；向；h,k,l晶面族的晶面都与（晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。晶面平行。10晶向、晶面、晶晶向、晶面、晶面族分别为：面族分别为：晶向、晶面、晶晶向、晶面、晶面族分别为：面族分别为：xy111zzxy4-2-211xyz对半导

7、体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略llERR半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 ERRKl/半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小上一页返 回下一页13一、单晶硅的压阻系数31222232133323111121314六个独立的应力分量：六个独立的应力分量：六个独立的电阻率的变化率：六个独立的电阻率的变化率：广义广义：15六个独立的应力分量：六个独立的应力分量：六个独立的电阻率的变化率：六个独立的电阻率的变化率：111222333正应力32234剪应力13315211261617表面

8、杂质浓度表面杂质浓度Ns（1/cm3)11或或441、压阻系数与表面杂质浓度的关系扩散杂质浓度增加，压阻系数减小扩散杂质浓度增加，压阻系数减小P型型Si（44)N型型Si（11)18：电阻率：电阻率 n：载流子浓度：载流子浓度e：载流子所带电荷：载流子所带电荷 ：载流子迁移率：载流子迁移率Ns杂质原子数多杂质原子数多载流子多载流子多 n杂质浓度杂质浓度Ns n在应力作用下在应力作用下的变化更小的变化更小 / 的变化率减小的变化率减小压阻系数减小压阻系数减小19温度温度T44温度升高时，压阻系数减小；温度升高时，压阻系数减小；表面杂质浓度增加时，温度表面杂质浓度增加时，温度对对压阻系数的影响压阻

9、系数的影响变小（下降速度变慢）。变小（下降速度变慢）。Ns小小Ns大大20T载流子获得的动能载流子获得的动能运动紊乱程度运动紊乱程度 / Ns大，大， 变化较小变化较小 变化小变化小Ns小，小， 变化大变化大 变化大变化大21Ns比较大时：比较大时：a.受温度影响小受温度影响小c.高浓度扩散，使高浓度扩散，使p-n结击穿电压结击穿电压绝缘电阻绝缘电阻漏电漏电漂移漂移性能不稳定性能不稳定b. Ns 灵敏度灵敏度结论结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应综合考虑灵敏度和温度误差，根据应用条件适当选择载流子的浓度。用条件适当选择载流子的浓度。应力作用晶格变形能带结构变化载流子浓度和迁移率变化(1)

10、体型半导体应变片(2) 扩散型压阻式压力传感器(3) 测量桥路及温度补偿241.薄膜技术薄膜技术 薄膜技术是在一定的基底上薄膜技术是在一定的基底上,用真空蒸镀、溅用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成）等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件膜等微型弹性元件,也可加工为转换元件也可加工为转换元件,有的有的可作为绝缘膜可作为绝缘膜,有的可用作控制尺寸的牺牲层有的可用作控制尺寸的牺牲层,在传感器的研制中得到了

11、广泛应用。在传感器的研制中得到了广泛应用。251234在真空室内在真空室内,将待蒸发的材将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器料置于钨丝制成的加热器上加热上加热,当真空度抽到当真空度抽到0.0133Pa以上时以上时,加大钨丝加大钨丝的加热电流的加热电流,使材料融化使材料融化,继续加大电流使材料蒸发继续加大电流使材料蒸发,在基底上凝聚成膜。如图在基底上凝聚成膜。如图所示。所示。图中图中,1真空室真空室,2基底基底,3钨丝钨丝,4接高真空泵。接高真空泵。 26在低真空室中在低真空室中,将待将待溅射物制成靶置于溅射物制成靶置于阴极阴极,用高压（通常用高压（通常在在1000V以上）使以上）使气体电离形成等