第五章压力传感器

1、1第第 五五 章章 第六节 压阻式压力传感器的结构、性能与应用第五节 硅压阻式压力传感器的测量与补偿线路第一节 应力、应变的基本概念第二节 导体受力后电阻的变化第三节 压阻式压力传感器的基本原理第四节 压阻式(扩散硅)压力传感器的结构设计3第五章 力学量传感器力学量传感器主要是用于测量力、加速度、扭力、压力、流量等物理量。这些物理量的测量都是与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的有：电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。不同类型的力学量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相同，本章只准备对扩散硅压阻式压力传感器的原理

2、、设计及部分工艺作一讨论。4第一节 应力、应变的基本概念1.应力的基本概念 在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作用力，我们用应力来描写。给一根截面积为 的均匀直杆两端施加方向相反的拉力 。 如果在杆中 点作一垂直于杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力平衡要求，在此截面上分布有合力为 的力，这个力就是右半段杆子通过截面 作用到 左半段杆子上的内力。我们把作用在单位面积上的内力叫做应力。SFAFA图1 应力示意图5SFxx式中， 值大于零表示拉伸应力，小于零表示压缩应力。应力符号的两个下角标中，第xxcoscosxxrxSF一个记为截面法线指向，该应力是由法线指向一侧

3、物体作用在法线离开一侧物体上的。第二个下角标记为力的方向，上式给出的应力是作用在 点的、垂直于杆轴的截面上的沿杆轴方向的应力。如果通过 点作一斜截面，其法线记作 见图2，它与杆轴夹角为 ，在它上面作用着沿杆轴方向的合力为 的分布内力作用，但是该截面面积为cosS所以每单位面积上沿杆轴方向的内力为AAAF 图2 切应力示意图6cosFFsinFF相应的应力为：sincoscoscoscos2xxxxSFSF式中， 为正应力， 为切应力。它就是在 点截面 上沿 正方向的应力。为了求得作用在这个斜面上的垂直于截面及在截面内的应力，可将力 向法线 方向及截面内 方向投影，xFA72.应变的基本概念 在

4、外力作用下物体会产生变形，应变是衡量变形大小的力学量。图3给出直杆 及坐标轴 在杆中截取一个微元 ， 和 的坐标分别为 和 。当杆件两端受到 力的作用时，杆件会发生伸长， 、 分别移动到 和 ，它们的坐标分别为 ， 。对微元 段变形前的长度：ABQxCDCDxxx FCDCDcux DuxxCDxxxx变形后长度：cDcDuuxuxuxx微元 段的伸长为CDcDcDuuxuuxCD段的平均伸长：xuucD图3 应变示意图8为了表示杆件在 点的变形情况，应当让 趋于零。如果考虑杆件的变形很小， 和 有近似关系这样就得到所谓 点的应变CxcuDuduuucDCxxdxduxuucDxxx0lim第

5、二节 导体受力后电阻的变化设有一根长为 、截面积为 、电阻率为 的导体，其起始电阻为 ，于是有：lSRSlR设导线在力 作用下，其长度 变化 ，截面 变化 ， 半径 变化 ，电阻率 变化 ，因而将引起 变化 。 对上式微分可得FldlSdSrdrdRdR（5-2-1）dSdSldlRdSldSSldlSdR29由于2rSrdrdS2dSdSldlRdR（5-2-2）所以式（5-2-2）可写成drdrldlRdR2（5-2-3）ldlrdr（5-2-4）式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示径向应变与轴向应变相反。 由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短,

6、那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：式中L/L是长度相对变化量, 用轴向应变表示: LL10将式（5-2-4）代入式（5-2-3），整理后得到dRdR21（5-2-5）或写为 /21dRdR（5-2-6）dRdRk210（5-2-7） 称为金属材料的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻变化率。由式（5-2-6）可知，金属材料的灵敏系数的大小是由两个因素引起的。一个是金属丝几何尺寸的变化引起的，即 项；另一个是受力后材料的电阻率变化引起的，即 项。对金属材料而言，前项是主要的，而对半导体材料，后项则是主要的。0k21/d 大量实验证明，金属材料在一定应变范围内， 为一常数。因此式（5-2-5）以增

7、量表示可写为0k110kRdR（5-2-8）上式说明，金属材料在一定应变范围内的电阻的变化率与应变成正比。这是金属应变片传感器的工作原理。第三节 压阻式压力传感器的基本原理5.3.1 概述 当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化 ，电阻率将发生显著的变化，称为压阻效应，半导体压阻效应一个很重要的特点是效应的各向异性。利用这种效应制成的传感器可用于测量力，压力、加速度、载荷和扭矩等参量。硅晶体有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应，利用单晶硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产及使用方便等特点。其中硅杯式

8、扩散型压阻式压力传感器更成为人们所重视的一种新型传感器。125.3.2 基本原理 压阻式传感器的基本原理可以从材料电阻的变化率看出。任何材料电阻的变化率都可由下式决定：)325(2drdrldlRdR对半导体而言，上式中前两项很小，而电阻率的变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由第三项引起的。已知2dRdR（5-2-5）如果引用TdET T式中， 为压阻系数 ； 为应力 ； 为弹性模量 ； 为轴向应变，则上式可写为：12Nm2NmE2NmskETRdR212(5-2-9)注：弹性模量：材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值 13式中， 为半导体材料的灵敏系数。sk 半导体材料的 比

9、 大得多，因而电阻相对变化可写成T21TdRdR（5-2-10）上式说明，半导体材料受力后电阻的变化率 主要 是由 引起的，这就是压阻式传感器所依据的原理。RdRd硅的压阻效应与晶向有关，设计和制造硅的压阻效应与晶向有关，设计和制造时应注意晶向的选择。时应注意晶向的选择。 压阻系数表征了压阻效应的大小压阻系数与掺杂类型、掺杂浓度、温度和晶向有关。145.3.3 压阻系数 硅作为各向异性的晶体，它的压阻系数具有复杂的形式，现讨论如下。一、应力张量 弹性体内某一点的应力，要用九个应力分量组成的应力张量来描述。333231232221131211TTTTTTTTTT（5-2-11）由于弹性体中任意正

10、平行六面体不仅满足内力平衡条件，而且满足内力矩平衡条件，因此有图4 正立方体各面上的应力分量15211213313223TTTTTT 应力张量是二阶对称张量，独立的应力分量只有六个。为了反映应力张量只包括六个独立分量，常把二阶对称应力张量的两个角标简化成一个角标，写成 形式，并用一列矩阵表示为：jT654321TTTTTTT（5-2-12）333222111TTTTTT其中 称为法向应力分量。 称为切向应力分量。应力的单位是 通常张应力取正值；压应力取负值。 126315234TTTTTT2mN16321xxxo二、压阻系数 如将半导体材料（一般是单晶体）沿三个晶轴方向取一正平行六面体，并以三

11、个晶轴为坐标轴，则可建立起 正交坐标系。九个应力分量中有六个是独立的。应力的存在将引起电阻率的变化， 用 来表示电阻率的变化率。而电阻率的变化率与应力之间的关系是由压阻系数联系起来的，它们之间的关系可由下列矩阵方程给出：i654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654321TTTTTT（5-2-13）17由于法向应力不可能产生剪切压阻效应，则0636261535251434241由于剪切应力不可能产生正向压阻效应，则0363534262524161514由于剪切应力不可能在该应力

12、所在平面之外产生压阻效应则：0656456544645由于单晶硅是正立方晶体，三个晶轴是完全等效的，加之坐标系又与晶轴重合，则有正向压阻效应相等，即332211横向压阻效应相等，即322331132112剪切压阻效应相等，即66554418所以硅在晶轴坐标系中压阻系数的矩阵可简化为：444444111212121112121211000000000000000000000000（5-2-14）由矩阵可以看出，独立的压阻系数分量仅有 三个。 分别为晶轴方向上的纵向压阻系数、横向压阻系数、剪切压阻系数分量，也称它们为基本压阻系数分量。441211441211195.3.4 任意晶向的压阻系数若电流

13、 通过单晶硅的方向为 ， 如图5 所示，图中坐标轴1、2、3 与硅的晶轴重合。 为任意方向， 设此方向为纵向。如有应力沿此 方向作用在单晶硅上，则称此应 力为纵向应力，以 表示。欲求 反映纵向应力 在单晶硅 方向 所引起的电阻率变化的纵向压阻系 数 ，则必须将式（5-2-14）中各压阻系数分量全部投影 到 方向，才可得到。设取一新的坐标系 ，使 轴与 重合。设 （即 轴）在晶轴坐标系123中的方向余弦为 ，则投影结果为：IPPTTPP3,2,11PP1111,nml212121212121441211112nlnmml（5-2-15）图5求任意晶向的压阻系数20此式是计算任意晶向的纵向压阻系数

14、公式。此式是计算任意晶向的纵向压阻系数公式。设 方向与 方向垂直，称 为 的横向。若有应力沿 方向作用在单晶硅上，则称此应力为横向应力，以 表示。欲求反映此横向应力 在单晶硅纵向 引起电阻率变化的横向压阻系数 ，也可利用上述的投影方法求得。使 轴的方向与 方向一致，设 （即 轴）在晶轴坐标系中的方向余弦为 ，投影结果为：QPQPQTTP2QQ2222,nml22212221222144121112nnmmll(5-2-16)此式是计算任意晶向的横向压阻系数公式。此式是计算任意晶向的横向压阻系数公式。如果单晶硅在此晶向上同时只有纵向应力与横向应力的作用，则在此晶向上（即电流通过的方向）的电阻率的

15、变化率，也就是电阻的变化率可由下式求出：TTRR（5-2-17）215.3.5 压阻效应的各向异性硅单晶材料在任意晶向上纵向和横向压阻系数可以通过计算得到并绘成图。补充资料图中示出P型硅在（001）、（011）及（211）晶面不同晶向上的压阻系数。 图中横轴上半部表示正值压阻系数， 即受到拉伸应力时，电阻率增加；横轴下半部表示负值压阻系数，即受到拉伸应力时， 电阻率减少。可以看出在不同晶轴上，压阻系数的值差异很大，呈现出明显的各向异性。 半导体压力传感器一般常选用（001）、（011）、（211）三个晶面， 因为在这三个晶面上都具有某一个或某几个晶向上压阻系数较大的特点。 22左表是有关的压阻

16、系数左表是有关的压阻系数2311psNp44sNnsNnp三、影响压阻系数的一些因素 影响压阻系数的因素，主要是扩散杂质的表面浓度与温度。压阻系数与扩散杂质表面浓度 的关系，如图6 所示。图中一条曲线为 型硅扩散层的压阻系数 与表面浓度 的关系；另一条曲线则为 型硅扩散层的压阻系数 与表面浓度 的关系曲线。由曲线可见，压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，而且在相同表面浓度下， 型硅的压阻系数比 型硅的高。因此选用 型层有利于提高器件的灵敏度。 压阻系数与温度的关系，如图7（a）、（b）所示。（a）图示出了P 型层 与温度的关系；（b）则示出了N型层 与温度的关系。由图可见，表面浓度低时，温度升

17、高，压阻系数下降得快；表面浓度高时，温度升高，压阻系数下降得慢。为降低温度的影响，扩散杂质的表面浓度高些较好。但是在提高扩散浓度时，压阻系数将要降低，而且高浓度时，扩散层P型硅与衬底N型硅之间的PN结441124的击穿电压也要降低，从而使绝缘电阻降低。所以在决定采用多高的表面浓度时，应全面考虑压阻系数、绝缘电阻及降低温度影响等各因素的要求。图7 压阻系数与温度的关系图6 压阻系数与表面杂质浓度Ns的关系25第四节 压阻式(扩散硅)压力传感器的结构设计5.4.1 硅压力膜片的应力分布利用半导体材料的压阻效应可以制成压力传感器。这种压力传感器的核心部分是一个周边固支的上面扩散有硅应变电阻条的硅敏感

18、膜片，即硅压阻芯片。硅压阻芯片常采用两种结构，一种是周边固支的圆形硅杯膜片结构，如图（a）所示；另一种是周边固支的方形或矩形硅杯膜片结构，如图（b）所示。硅杯膜片结构不同，应力的分布也不同。图8 硅杯结构（a）圆形硅杯； （b）方形硅杯电阻条布置图。1-压敏电阻； 2-膜片边缘；3-金属压点；4-扩散压敏电阻；5-固支圈26举例：在沿某晶向（如 ）切割的N型硅片上扩散四只P型电阻，沿晶向的电阻排列如下图。011 压阻式压力传感器及硅杯1、引线 2、硅杯、3、高压腔 4、低压腔 5、硅膜片 硅片周边固定，在压力P作用下，膜片产生应力和应变。由于产生应 力 ， P 型 电 阻 产 生 压 阻 效

19、应 ， 其 电 阻 发 生 相 对 变 化 。27对于圆形硅杯膜片，当压力作用其上时，在硅膜片背面产生的表面径向应力 和表面切向应力 与所加的压力P 、膜片厚度 、膜片有效半径 、泊松系数 、计算点的半径 的关系式为rTtThar3183222rahPTr31183222rahPTt 根据上两式可作出圆形硅杯膜片上的应力分布图，如图9所示。由图可见，硅膜片圆心和边缘部位是应力最大的部位。图9 平膜片的应力分布图28当 时， ； 时， ，即为拉应力；ar812.00tT仅有 的压应力；当 时， ；当 时rTar635.00rTar635.00rTar635.0时， ，即为压应力。当 时， 0rT

20、ar812.00tTar812. 00rT。为了保证膜片在工作时的线性，应使硅膜片处于小挠度变形范围内。一般讲，当硅膜片的应变量小于 （微应变），即相当应力小于 时，可满足上述要求。在设计硅压阻芯片时，应把扩散应变电阻条配置在应力最大的位置，以获得最大的灵敏度。对于周边固支的方形或矩形硅杯膜片上任意点的应力难于用解析式给出，一般用有限差分法进行数值解。500Pa71085.4.2 压阻式压力传感器硅芯片设计中的一些问题硅压阻芯片是压阻式传感器的核心部分，其设计因用途而异。以下仅就有关设计中的一般原则进行讨论。29半导体压阻效应器件按力敏电阻制作工艺方法的不同，可分为体型与扩散型两大类。它们虽各

21、有特点，但又有许多共同之处。所以本节将要介绍的有关扩散型压力传感器硅芯片设计中的一些问题，对于设计体型半导体力敏感元件也是适用的。一、硅杯结构与材料的选择已知硅压阻芯片采用的硅杯结构有两种，周边固支的圆形硅杯和周边固支的方型或矩形硅杯。采用周边固支硅杯结构，可使硅膜片与固支环构成一体，既可提高传感器的灵敏度、线性、减小滞后效应。又便于批量生产。圆形硅杯结构多用于小型传感器，方型或矩形硅杯结构多用于尺寸较大、输出较大的传感器，圆形硅杯是最常采用的一种硅杯形式，制作工艺比较成熟，其应力的计算与分布均已给出。所以本节将以圆形硅芯片的设计为例进行讨论。硅杯材料的选择是极为重要的，通常选用N型硅晶片作为

22、硅杯膜片，在其上扩散p型杂质，形成电阻条。这是因为，p型电阻条的压阻系数较N型为大，灵敏度高，而温度系数比N型的小，也易于制造。n型硅膜片晶向的选取，除应考虑获得高压力灵敏度外， 30PThae34式中，为硅的弹性极限，eTPaTe7108由上式可知，在给定压力P下可求出还要考虑各向异性腐蚀形成硅杯制造工艺的要求，一般选取100或110晶向的硅膜片。n型硅膜片的电阻率，通常选取815 cm。这样可使p型扩散电阻条所产生的pn结的隔离作用有足够的耐压性。对于p型电阻条杂质的控制也较灵活。如果传感器的激励电源电压较低，也可用电阻率更小的硅膜片。二、硅杯尺寸的确定 1.硅杯的直径、膜片厚度的确定对于

23、圆形硅杯膜片的几何尺寸，一般指的是它的有效半径a和厚度h而言的。当硅杯膜片受一定压力作用时，要保证硅膜片的应力与外加压力有良好的线性关系，其条件为硅膜片的有效半径与膜片厚度的比应满足以下关系：31a/h的比值；选定有效半径a后，则可求得硅膜片的厚度h。.固有频率硅杯压阻压力传感器在动态条件下使用时，应具有一定的固有频率，在确定硅膜片的有效半径和厚度时，要同时满足固有频率的要求。周边固支圆形硅膜片的固有频率为：0f2201356.2Eahf式中 E弹性模量硅材料的密度当有效半径a一定时，可由上两式得出满足线性与固有频率要求的硅膜片厚度。硅的弹性模量和钢材料几乎相等。但硅的密度为钢的1/3到1/4

24、，故硅膜片的固有频率比钢膜片高2倍。三、扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置的确定硅压阻芯片是在N型硅杯膜片上扩散四个P型电阻，一般接成惠斯顿电桥而构成的。电阻条的阻值、几何尺寸、位置与取向32的配置都对传感器的灵敏度有很大的影响，需要计算确定。.扩散电阻条的阻值的确定硅杯膜片上的四个电阻按下图（a）连成惠斯顿电桥。为了获得较大的输出，要考虑与负载电阻的匹配，如果传感器后面接的负载电阻为 如下图（b）所示，则负载上获得的电压为fR11fscscfscfscfRRURRRUU只有在时有1/fscRRscfUU所以传感器的输出电阻（等于电桥桥臂的电阻值），应该小些。设计时一般取电桥桥臂的阻值（也就是

25、每个扩散电阻的阻值）为5003000欧姆。图10 传感器与负载的连接（a) 四个扩散电阻条所构成的惠斯顿电桥 （b) 传感器与负载的等效电路33.扩散电阻条的取向与位置的确定由前所述可知，圆形硅杯膜片上扩散电阻的电阻变化率可由下式给出：trTTRR纵向压阻系数；横向压阻系数；径向应力；切向应力；rTtT由上式可知，欲获得大的电阻变化率，提高传感器的灵敏度，扩散电阻条应选择在压阻效应较大的晶向和应变大的部位上。扩散电阻一般连接成惠斯顿电桥是为了提高力敏电桥电路灵敏度的目的。在电阻条选取定位时，还要满足硅膜片受力后其上的一对电阻的阻值变化率为正值，而另一对的阻值则应为负值。下面不难看出，在满足上述

26、要求的情况下，压阻效应的选用可以是： 只利用纵向压阻效应；既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应。在定位上。电阻条可位于同一应力区，也可分别位于正负应力区。下面将分别举例予以说明。（）利用纵、横压阻效应位于同一应力区的力敏电阻RR34212121212121441211111102nlnmml图中表明径向力敏电阻 沿110晶向布置，纵向为110，则其纵向压阻系数为22212221222144121112011nnmmll图11 晶面是（001）的硅膜片传感器元件往往选取n型硅作为衬底材料，选取（001）晶面作为硅膜片。此时110和 晶向上的压阻系数最大，对称性也好，所以一般利用扩硼的方法扩散出两

27、个p型电阻沿 晶向布置，另两个p型电阻沿110布置，此种设计如右图所示。011011 在（001）晶面上，110晶向的横向为 ，其横向压阻系数为011 由计算可知,110、 晶向在晶轴坐标系中的方向余弦为01142,RR35211l211m01n212l212m02n44214421当硅膜片受力后，力敏电阻 阻值相对变化率（即径向电阻变化率）应为rRRtrrTTRRRRRR 4422将110方向的纵向压阻系数和横向压阻系数代入上式，得trrTTRRRRRR 44442221将上述方向余弦值分别代入纵、横向压阻系数表达式中，再取近似，即可得 方向上的纵向压阻系数与横向压阻系数：11042,RR3

28、6当切向力敏电阻 沿晶向 布置时，其纵向压阻系数为212121212121441211110112nlnmml其横向压阻系数为22212221222144121112110nnmmll44214421tRRrttTTRRRRRR 331131,RR011用上面同样的方法可得到 方向纵向和横向压阻系数的近似值分别为011硅膜片受力后，力敏电阻 阻值相对变化量（即切向电阻变化率 ）为31,RR37trrttTTTTRRRRRR 444433112121由径向电阻和切向电阻的相对变化率表达式可以看出，此种设计方案关键在如何增加纵向和横向应力的应力差，而应力差随r的增大而增大。将圆形硅杯膜片表面上各点

29、的径向应力和切向应力表达式代入电阻相对变化率表达式中，可得 18Pr34422hRRr 18Pr34422hRRt当当r相同时，即纵向电阻与横向电阻分布位于同一应相同时，即纵向电阻与横向电阻分布位于同一应力区时，纵、横向电阻相对变化率互为相反数。作出它们力区时，纵、横向电阻相对变化率互为相反数。作出它们与与r的关系曲线，如下图所示。的关系曲线，如下图所示。将 方向的纵向和横向压阻系数代入上式，可得01138212121212121441211111012lnnmml将01l211m211n代入上式得4401121（）只利用纵向压阻效应且分别位于正负应力区的力敏电阻一般常用n型硅以（011）晶面

30、作为硅杯膜片，桥臂四个p型电阻均沿 晶向布置，如图所示。纵向压阻系数为101图12 与r的关系曲线RR图13 电阻均沿 晶向的硅膜片10139（011）晶面上 晶向的横向为100晶向，故横向压阻系数为22212221222144121112100nnmmll将01l211m211n12l02m02n代入上式得0100所以受力后，每个电阻的阻值变化率为rrTTRR4421上式说明。此种设计方案电阻条受力后，阻值的相对变化率的正负主要取决于应力的正负，从应力分布图可以看出，0.635a处是径向正负应力的分界。当我们把力敏电阻 布置在0.635a以内的正应力区时，受力后力敏电阻阻值变化率为正。当把力

31、敏电阻R1，R3布置在0.635a以外时，位于负应力区，所以受力后力敏电阻的阻值变化 率 为 负 值 。 进 而 我 们 得 到 内 外 电 阻 的 阻 值 变 化 率 为42,RRriiTRR4421 044021rTRR 101400 RRRRi式中， 分别是内、外电阻上所受的径向应力的平均值。如果设计时使 因之有0,rriTT0rriTT可用下列两式计算圆形硅杯膜片上径向应力与切向应力的平均值：2121/rrrrrrdrdrrTT2121/rrrrttdrdrrTT通过以上计算说明了当扩散力敏电阻按同一晶向布置通过以上计算说明了当扩散力敏电阻按同一晶向布置时，在硅膜片受力后，由于力敏电阻

32、分别处于正负应力区时，在硅膜片受力后，由于力敏电阻分别处于正负应力区内，可使两个桥臂的电阻相对变化率为正值，另两个桥臂内，可使两个桥臂的电阻相对变化率为正值，另两个桥臂的电阻相对变化率为负值，因而可同样达到提高力敏电桥的电阻相对变化率为负值，因而可同样达到提高力敏电桥电路灵敏度的目的。电路灵敏度的目的。41第五节 硅压阻式压力传感器的测量与补偿线路5.5.1 压阻式传感器的测量线路压阻式传感器芯片上的四个扩散电阻，一般是接成惠斯顿电桥的形式，使输出信号与被测量成正比。为使电桥的灵敏度最大，将一对增加的电阻对接，将另一对减少的电阻对接，如下图所示。电桥常采用两种供电方式：恒压供电和恒流供电。一、

33、恒压源供电设四个扩散电阻起始值相等且为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加量分别为，两个电阻阻值减少量分别为。由于温度的影响，每个电RR42阻的改变量分别为，由上图可知，电桥的输出电压应为TRTTTTTTBDSCRRRRRRRRRURRRRRRRRRUUU整理后得TSCRRRUU由上式可知，电桥输出电压与 成正比，即与被测量成正比，同时又与电源电压成正比，这就是说电桥的输出与电源电压的大小与精度有关。如时，前述公式可知，输出电压与温度有关，恒压源供电，不能消除温度的影响，这是它的缺点。但多个传感器使用时，供电简便。RR0TR二、恒流源供电恒流源供电时，电桥如上图所示。设电桥两支路电阻相等，即A

34、DCABCRR因之通过两个支路的电流相等，即U43IIIADCABC21因此电桥的输出电压为TTSCRRRIRRRIU2121RIUSC电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比。由于同时也与电源电流成正比，因此电桥输出与恒流源的电流大小与精度有关。恒流源供电时，电桥的输出与温度无关，这是它的主要优点。但是，恒流源供电，最好一个传感器配备一个电源，这在使用中是不方便的。三、压阻式传感器的测量线路压阻式传感器常用的放大电路如右图所示。三极管V1、V2组成复合管，再与二极管V5、V6以及R1、R2、R3构成恒流源电路，供给传感器不随温度变化的恒定电流。结型44场效应管V3、V4与电阻R4、R

35、5构成源极跟随器，将传感器与运算放大器A隔开，使放大器的闭环放大倍数不受传感器输出阻抗的影响。5.5.2 压阻式传感器的温度漂移与补偿压阻式传感器受到温度影响后，就会产生零位温度漂移和灵敏度漂移，这是它的最大的弱点。它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位温度漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数也小；表面杂质浓度低时，薄层电阻大，温度系数增大。由于工艺上难于做到，使四个桥臂电阻的温度系数完全相同，因此不可避免的要产生零位漂移。提高表面杂质浓度，虽可减少电阻的温度系数，从而减少零位漂移，但是提高杂质浓度会降低传感

36、器的灵敏度。压阻式传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。由压阻系数与温度的关系曲线可以看出，温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。所以传感器的灵敏度当温度升高45压 阻 系 数 与 温 度 的 关 系 曲 线46时要降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度的变化要小些，但传感器的灵敏度同样会降低。考虑漂移和传感器灵敏度的两方面的要求，扩散杂质表面浓度应选在320318103103cmcmNS压阻式传感器的优点众多，但是温度误差是这类传感器要着重解决的问题。减小温度误差的方法很多，现仅就几种线路 补 偿 方 法 作 以 简 介 。一、零位漂移补偿传感器的零位

37、漂移一般是用串、并联电阻的方法进行补偿。见右图，RS是串联电阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作 零位温漂的补偿47用；并联电阻主要起补偿作用。其补偿作用的原理如下：传感器存在零位漂移，就是说在温度变化时，输出B、D两点电位不相等。如温度升高时，R3的增加比较大，则D点电位低于B点电位，B、D两点的电位差就是零为温度漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的方法，就是在R3上并联一负温度系数阻值较大的电阻RP，用它约束R3的变化。这样当温度变化时，B、D两点间的电位差不致过大，从而达到补偿的目的。当然这时在R4上并联一正温度系 数 阻 值 较 大 的 电 阻 进 行 补 偿 ， 其 作 用

38、也 是 一 样 的 。二、灵敏度漂移与补偿传感器的灵敏度漂移，一般是采用改变电源电压大小的方法进行补偿。温度升高时，传感器灵敏度要降低。这时如果使电桥电源电压提高一些，电桥的输出变大些，即可达到补偿的目的。反之，当温度降低时，灵敏度升高，电桥电源电压降低，使输出变小，即可达到补偿的目的。下图（a）中是用正温度系数的热敏电阻改变运算放大器的输出电压，从而改变电桥电源电压的大小，达到补偿的作用。下图（b）则是利用三极管的基极与发射极间PN结敏感温48度的高低，使三极管的输出电流发生变化，改变管压降的大小，从而使电桥电源电压得到改变，达到补偿的目的。ab:b:带温度补偿的集成压力传感器带温度补偿的集

39、成压力传感器R5R6VUBR1R2R4R3UoUC49上图b中，电阻R5、R6和晶体管BG构成的温度补偿网络与由力敏电阻R1-R4构成的电桥单块集成在一起。当晶体管的基极电流比流过电阻R5、R6的电流小得多时，晶体管的集电极-发射极电压)(665RRRVVbece电 桥 的 实 际 供 电 电 压 VB为)(665RRRVVVbeCB温度升高时Vbe下降，引起Vce下降。 Vce的下降使电桥的实际供电电压VB增大，以补偿压阻灵敏度随温度升高的下降值。 力敏电阻电桥的输出信号V0在R1=R3=R0+KPR0和R2=R4=R0-KPR0时有KPVVB0（ 1 ）（ 2 ）50式中K为力敏电阻的灵敏

40、度系数，P为压力，将（1）代入式（2）得到KPRRRVVVbeC)(6650（ 3 ）输 出 电 压 V0的 温 度 系 数 为 ：dTdVRRVVRRdTdKKdTdVVbebeC)1(111656500（ 4 ）根据力敏电阻灵敏度系数的温度系数和Vbe的温度系数，可通过选择电阻R5、R6的适当比值，使输出电压的温度系数为零，由0)1(116565dTdVRRVVRRdTdKKbebeC可以得到5111165bebeCVdTdKKdTdVVdTdKKRR（ 5 ）根据式（5）可以得到不同的 值和不同电源电压条件下，电阻比的选择。dTdKK1设UC10V，UBE0.7， 则可以得到 C,/%2

41、 . 0dd1C,/2ddTKKmVTUBE9 . 465RR 此时，晶体管的发射极集电极压降约为4.1 V，电桥上有效工作电压UB约为5.9 V。这样的内部温度补偿电路虽然简单， 但是可以达到良好的补偿效果，因而得到广泛的应用。 52第六节 压阻式压力传感器的结构、性能与应用由于压阻式传感器的灵敏度高、精度高、频率响应高、体积小、无活动部件等优点，使得它在航天、航空、航海、石油、化工、生物医药工程、地质等方面得到了广泛的应用。压阻式传感器可用作压力、拉力、压力差、液位、重量、应变、流量、加速度等物理量的测量。压阻式压力传感器的应用十分广泛，而它的结构、工艺又是由被测对象、使用目的、测试环境等

42、因素决定的，因此下面将结合不同的应用介绍几种典型的压阻式压力传感器的结构。典型的压阻式压力传感器的结构原理图，如下左图所示。硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常以小管和大气相连。核心部分硅膜片的设计与制作决定了传感器的性能。膜片一般设计成周边固支的圆型。 压阻式压力传感器小尺寸、稳定可靠性能，使得压阻式压力传感器成为生物医学上理想的测试手段。它可以插入生物体内作长期的观测。如注射针型压阻式压力传感器，硅膜片的厚度可达10微米，外径可达0.5毫米，此种传感器的结构如下右图所示。53 当环境高温高达500甚至更高时，就不能采用以Si材料为衬底的结构形式。6H

43、-SiC具有更宽的带隙和更高的稳定性， 在高温下，6H-SiC压力传感器具有良好的热特性和机械性能以及足够大的压阻系数。它可以在6H-SiC衬底上用同质外延的方法获得高质量的外延薄膜，从而得到适于更高环境温度的压力传感器。6H-SiC高温压力传感器的典型结构示意图如下图所示。 546H-SiCN型6H-SiCP型6H-SiC高温压力传感器典型结构 6H-SiC压力传感器使用N型6H-SiC单晶片作为衬底，在其上外延生长P型和N型6H-SiC，P型是作为刻蚀停止层，用等离子刻蚀方法得到N型压敏电阻条。然后在表面上淀积SiO2，最后刻出接触孔，淀积金属，进行金属化形成欧姆接触。典型的性能指标为：电

44、源电压：5 V；在室温及100 psi（1 psi=6.894 76 kPa）的压力下，满量程输出：40.66 mV，灵敏度：0.008 mV/(Vpsi)；400下输出为20.86 mV；非线性：0.17FS； 迟滞：0.17FS。 55总 结1、应力、应变、压阻效应2、压阻系数3、硅杯压阻式压力传感器的工作原理任意坐标轴三个晶轴方向为坐标轴5、扩散电阻条的尺寸、位置的确定力敏电阻分别位于正负应力区的只利用纵向压阻效应且电阻位于同一应力区的力敏利用纵、横向压阻效应4、圆形硅杯膜片的应力分布566、压阻式传感器的温漂与补偿灵敏度漂移及补偿零位温度漂移及补偿复习题1、如何理解压阻系数矩阵？2、画出(111)晶面和晶向，并计算(111)晶面内晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数。3、对于任意方向的电阻条，计算其压阻系数时应注意的问题是什么？4、分析影响压阻系数大小的因素。5、方块电阻的定义？它与什么因素有关？6、给出一种压阻式压力传感器的结构原理图，并说明其工作过程与特点。7、对于以圆平膜片作为敏感元件的硅压阻式压力传感器，设计其几何结构参数的基本出发点是什么？8、如何从电