第8章-压阻式传感器ppt课件

1、第八章 压阻式传感器,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,1 半导体的压阻效应,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 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。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 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,利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传感器。 一、压阻效应及压阻系数 压阻效应

2、：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,压阻式传感器的特点,灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50100倍，故相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。 分辨率高: 能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。 体积小、重量轻、频率响应高: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100千赫兹。 温度误差大: 须温度补偿、或恒温使用,由于微电子技术的

3、进步，四个应变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，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/数量级,即在压力传感器领域已超过的应变式传感器的水平,压阻效应,金属材料 半导体材料,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； 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,6,参考知识：晶向的表示方法,1)半导体单晶硅是各向异性材料; 2)硅是立方晶体，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行的一簇晶面上; 4)晶向：晶面的法线方向,晶面表示方法,截距式,法线式,r,s,tx,y,

4、z轴的截距,cos,cos,cos法线的方向余弦,法线长度,密勒指数,密勒指数,密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公 约数的整数。(方向余弦比的整数化表示,表示方式,表示晶面,表示晶向,表示晶面族,对立方晶体来说，h,k,l晶向是（h,k,l) 晶面的法线方向； h,k,l晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行,例,晶向、晶面、晶面族分别为,晶向、晶面、晶面族分别为,例： （特殊情况,x,y,z,对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略,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,半导体的应变灵敏系数还与掺杂

5、浓度有关，它随杂质的增加而减小,上一页,返 回,下一页,压阻系数,一、单晶硅的压阻系数,材料阻值变化,六个独立的应力分量,六个独立的电阻率的变化率,广义,15,六个独立的应力分量,六个独立的电阻率的变化率,电阻率的变化与应力分量之间的关系,三、影响压阻系数大小的因素,1、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,P型Si（44,N型Si（11,解释,电阻率 n：载流子浓度 e：载流子所带电荷 ：载流子迁移率,Ns杂质原子数多载流子多 n,杂质浓度Ns n在应力作用下的变化更小 /,2、压阻系数与温度的关系,温度升高时，压阻系数减小； 表面杂质浓度增加时，温度对压阻系数的影响

6、变小（下降速度变慢,Ns小,Ns大,解释,T载流子获得的动能运动紊乱程度 / Ns大， 变化较小 变化小 Ns小， 变化大 变化大,21,载流子浓度影响总结,Ns比较大时： a.受温度影响小,c.高浓度扩散，使p-n结击穿电压绝缘电阻漏电漂移性能不稳定,b. Ns 灵敏度,结论：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,22,压阻效应的原因,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,参考知识： 敏感元件加工技术,1.薄膜技术 薄膜技术是在一定的基底上,用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术

7、加工成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、膜等微型弹性元件,也可加工为转换元件,有的可作为绝缘膜,有的可用作控制尺寸的牺牲层,在传感器的研制中得到了广泛应用,在真空室内,将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器上加热,当真空度抽到0.0133Pa以上时,加大钨丝的加热电流,使材料融化,继续加大电流使材料蒸发,在基底上凝聚成膜。如图所示,真空蒸镀,图中,1真空室,2基底,3钨丝,4接高真空泵,在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上）使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使靶材的原子离开靶面,淀积到阳极工作台

8、上的基片上,形成薄膜,如图所示,溅射,图中,1靶,2阴极,3直流高压,4阳极,5基片,6惰性气体入口,7接真空系统,化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜,如图所示,化学气相淀积（CVD,图中,1反应气体A入口, 2分子筛, 3混合器, 4加热器, 5反应室, 6基片, 7阀门, 8反应气体B入口,2、微细加工技术,微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、制作复杂微小的敏感元件的技术。 1) 体型结构腐蚀加工 体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和离子刻蚀（

9、干法）技术（采用惰性气体）。 2)表面腐蚀加工牺牲层技术 该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种悬式结构,1）如图(a)、(b)所示,先在单晶硅的（100）晶面生长一层氧化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸入氢氟酸中,进行氧化层腐蚀； 2）将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺邻苯二酚水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（111）面,与（100）表面的夹角为54.74,如图(c)所示,单晶硅立体结构的腐蚀加工过程,利用该工艺制造多晶硅梁的过程： 1）在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的绝缘支撑,并刻出窗口,如图(a)所示。利用局部氧化技术在窗口处生

10、成一层SiO2作为牺牲层,如图(b)所示； 2）在SiO2层及余下的Si3N4上生成一层多晶硅膜（PoLy-Si)并刻出微型硅梁,如图(c)所示。腐蚀掉SiO2层形成空腔,即可得到桥式硅梁,如图(d)所示。另外,在腐蚀SiO2层前先溅铝,刻出铝压焊块,以便引线,表面腐蚀加工牺牲层技术形成硅梁过程,图(a)为方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容式传感器。图(b)为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图(c)为桥式结构,图(d)为支撑膜结构,图(e)为E型膜（硬中心）结构,这些都是常用于应变式传感器的结构,微型硅应变式传感器的一些基本结构,上一页,返 回,下一页,1）体型半导体电阻应变片,

11、1. 结构型式及特点 2. 测量电路,1. 结构型式及特点,主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多,上一页,返 回,下一页,体型半导体应变片的结构形式,1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线,对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为,2. 测量电路,恒压源 恒流源,电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响。R为应变片阻值， R为应变片阻值变化， Rt为环境温度变化受环境温度引起阻值的变化,电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响,上一页,返 回,下一页,2

12、） 扩散型压阻式压力传感器,压阻式压力传感器结构简图 1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片,采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜,上一页,返 回,下一页,工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定,设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥,上一页,返 回,下一页,扩散型压阻式压力传感器 特点,优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕

13、的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿,上一页,返 回,下一页,3） 测量桥路及温度补偿,由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。 减少与补偿误差措施 1. 测量电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿,上一页,返 回,下一页,1. 测量电桥,恒流源供电的全桥差动电路,假设RT为温度引起的电阻变化,电桥的输出为,电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比， 但与温度无关，因此测量不受温度的影响,上一页,返

14、 回,下一页,2.温度漂移及其补偿,上一页,返 回,U,R1,R2,R4,R3,U0,Rs,Rp,VD,温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移,零 漂 扩散电阻值随温度变化 灵敏度漂移 压阻系数随温度变化,零 位 温 漂 串、并联电阻 灵敏度温漂 串联二极管,串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用,补偿原理,设右上角加的为低 温下对应的值；设右 上角加 的为高温下 对应的值,若Rs Rp温度特性已知,串联电阻的温度系数（负值,-并联电阻的温度系数（负值,联立上面四方程，可以得,常温下的值,3 . 灵敏度温度补偿,补偿灵敏度漂移原理： 温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高电源电压，使电桥

15、输出适当增大，便可达到补偿目的。 温度升高时，二极管压降降低，可使电桥电源电压提高，关键是适当选择串联二极管的个数,若Rs Rp阻值不随温度变化，则,联立上面二方程，可以得,对比上述两种方法,46,压阻式传感器常用补偿方法,1)硬件线路补偿 2)软件补偿 3)专用补偿芯片补偿 MCA7707(MAX1457)是一种采用CMOS工艺的模拟传感信号处理器。通常被应用于压阻式压力传感器的校正和温度补偿,3 压阻式传感器的应用,1. 扩散型压阻式压力传感器 2. 差频压阻式压力传感器 3. 压阻式加速度传感器,1. 扩散型压阻式压力传感器,1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片,在膜片

16、位移量远小于膜片的厚度时，受均匀压力的圆形硅膜 片上各点的径向应力 和切向应力 ,可分别用下式计算,优点,扩散型压阻式压力传感器的主要优点就是体积小、结构简单，动态相应好，灵敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高，性能稳定，成本低，便于批量生产,2.差频压阻式压力传感器,差频压阻式压力传感器工作原理图,a）分布阻容网络； （b）相移振荡器； （c）差频振荡压阻 式压力传感器组合,独立的相移正弦振荡器振荡频率为,压力的变化,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服零点漂移，一般都采用差频输出的形式。也就是在选择适当的晶向和扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器并连接宽带放大器和频率综合器，将其组合在一起构成差频压阻式压力传感器,3 压阻式加速度传感器,它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面,上一页,返 回,下一页,压阻式加速度传感器,1-基座；2-扩散电阻；3-单晶硅悬臂梁；4-质量块,利用单晶硅作悬臂梁，在其根部扩散出4个电阻，当悬臂梁自由端的质量块受到外界加速度作用时，就将感受到的加速度转变为惯性力，产生应力，使4个电阻值发生变化。电桥不平衡，从而输出与外界的加速度成正比的电压值。 Kulite GAE813固态压阻式加速度计的有关参数：量程10100g；灵敏度：15V/g；非线性误差