压阻式传感器解读课件

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：在半导体材料上施加作用力，

2、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。由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高，加

3、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.X(1)Y(2)Z(3)7晶面表示方法zxyrst截距式：法线式：r,s,tx,y,z轴的截距cos,co

4、s,cos法线的方向余弦法线长度8密勒指数三个没有公约数的整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）9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。10例：晶向、晶面、晶面族分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-211例： （特殊情况）xyz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

5、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压阻系数一、单晶硅的压阻系数31222232133323111121314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：正应力剪应力16电阻率的变化与应力分量之间的关系17表面杂质浓度Ns（1/cm3)11或44三、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)18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 / 的变

6、化率减小压阻系数减小19温度T442、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变小（下降速度变慢）。Ns小Ns大20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: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

7、感器(3) 测量桥路及温度补偿24参考知识： 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。25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。 26在低真

8、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。27 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282、微细加工技术 微细加工技术是利用硅的异

9、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（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。291）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

10、加工过程30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 31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

11、)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 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

12、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） 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

13、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

14、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 回下一页2.温度漂移及其补偿上一页返 回UR1R2R4R3U0RsRpVD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 42补偿原理：R1R2USCR3R4RsRpU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。43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

15、 . 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。45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

16、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

17、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 。扩散电阻质量块基座应变梁a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；