半导体传感器基础

1、10755-83376489半导体传感器基础主讲人：杨学昌20755-83376489传感器的定义绪 论人们通常将能把被测物理量或化学量传换为与之有确定关系的电量输出的装置称为传感器。传感器也叫做变换器、换能器或探测器。传感器输出的信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和其它辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。被测量敏感元件传感元件信号调节转换电路辅助电源电量30755-83376489敏感元件直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其它量（一般为

2、电量）的元件。敏感元件如果直接输出电量（热电偶），它就同时兼为传感元件。还有一些传感器的敏感元件和传感元件合为一体，如压阻式压力传感器。传感元件又称变换器，一般情况它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。传感元件有时也直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。信号调节和转换电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换电路的种类要视传感元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等等。40755-83376489传感器的发展趋势由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对

3、测控系统的精度提出更高的要求。近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这样一些时代特点，传感器将向以下几个方面发展： .高精度为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能的高。 .小型化很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。 .集成化集成化有两种，同类集成；不同类集成。 .数字化数字化有利于和计算机直接联机。 .智能化传感器与计算机结合的产物，兼有检测与信息处理功能。是传感器技术发展中一次飞跃。50755-83376489变量分类通常变量的分类可按物理性质区分为机械量、电学量、热学量、声学量等。这种方法只便于区分变量的物理属性，但

4、看不出不同种类的物理量所表现出来的共同特性。因此，研究不同种类的变量的相似特性并进行分类，对于研究机电模拟是必要的。各类基本物理量间可以按它们在“路”中表现的形式分为通过变量和跨越变量。只由空间或路上的一点来确定的变量称为通过变量。例如力，电流。必须由空间和路上的两个点来确定的变量称为跨越变量。如位移、电压。一般把这两个点中的一个点作为基准点或参考点。还可根据变量与时间的关系划分为状态变量和速率变量，状态变量可以用空间和路上的某一点或两点的状态来说明，如电荷、位移。速率变量是指用状态变量对时间的变化率表示的变量，如速度、电流按以上分类方法，机械量和电系统各变量的分类如下表所示。60755-83

5、376489机电模拟机电模拟是建立在所研究的机械系统的微分方程和等效电路的微分方程相似的基础之上的。在线性机械系统中，能与70755-83376489电系统参量相对应的模拟方案可有多种，目前经常采用的两种模拟是力电压模拟和力电流模拟。.力电压模拟在右图所示的机械系统中，除激励力f外，作用在质量m上的力还有（）惯性力（）阻尼力（粘性阻尼）（）弹性力根据力学原理，作用在质量块上的合力为零。，且外力与上述三个力的方向相反，合力为其代数和。80755-83376489这样可以列出此机械系统的二阶微分方程为比较上面两个微分方程可以很容易发现二者类型相同。这说明两个系统的物理性质虽然不同，但是它们具有相同

6、的数学模型，其运动规律是相似的。相同的数学模型是模拟的基础。根据所列的微分方程很容易找出机和电相似系统中的对应项来，可列出下表（1-1）如果对右图的串联R、L、C电路列微分方程可有（1-2）90755-83376489因为这种方法是以机械系统的激励力和电路系统的激励电压相似为基础的，所以称为力电压相似。这种相似方法的特点是：（）机械系统的一个质点用一个串联电回路去模拟。（）机械系统质点上的激励力和串联电路的激励电压相模拟。所有与机械系统一个质点相连接的机械元件（m，c，k）与串联回路中的各电器元件（L、R、C）相模拟。例如，为了测量结构物的振动速度（相对于大地），常将磁电式传感器固定在结构物上

7、，见下图，由于传感器的外壳（）100755-83376489与结构物之间具有一定的连接刚度和阻尼，而传感器内部又是由惯性质量块通过弹簧和阻尼器与外壳相连的。这样的机械系统具有两部分质量和，因此具有两个质点，而结构物的速度作为传感器的输入量将不必考虑结构物这个质点，其对应的相似电路就应具有两个回路，如图所示。机械系统的输入速度对应于该模拟电路的输入电流，弹簧（或阻尼器）两端的相对速度是输入速度与质量相对于大地的速度之差由质量所决定的电回路中的模拟元件应包括与质量相连接的所有、五个元件。同样在弹簧（阻尼器）两端，即相对的相对速度为，为质量相对于大地的速度。模拟质量这一质点的串联回路元件应包括、三个

8、元件。则可画出另一个回路。由于、同时与、相连，则、应是两个回路的公共部分。这样很容易画出模拟电路来。为了便于计算，在模拟电路中的电阻，电容，电感可直接用机械参数来表示，质量、上相对于大地的速度将由相应的电感元件、中的电流、来模拟。当关心的输出是质量对质量的相对速度时，则应取110755-83376489作为输出。显然它是模拟电路中的电流的负值。当研究输出速度的响应速度时，只需研究中的响应电流即可。上面的分析说明，力电压相似系统是将电系统的跨越变量（电压）模拟了机械系统的通过变量（力）。电系统的通过变量（电流）模拟了机械系统的跨越变量（速度），因而形成了机械系统的一个质点需用电系统一个回路来模拟

9、。虽然它们具有同样的微分方程，但从形式上这种模拟不直观，破坏了结构上的一致性。在测试时，为了得到速度值需要在模拟电路中串入电流表测电流，这给模拟实验带来不便，当采用下面的相似系统时则不同了。不过，由于机械系统经常是以力激励，而电系统是以电压激励，所以经常采用力电压相似系统.力电流模拟同样的机械系统可以采用右图所示的电流激励并联电路来模拟。该模拟电路的微分方程为120755-83376489与机械的二阶系统的微分方程式（1-1）比较，它们也是具有相同类型的微分方程。此相似系统是以机械系统的激励力和模拟电路的激励电流相似为基础的。所以称为力电流相似系统。在这种模拟方法中，两个系统的对应参量如下表所

10、示可见表中机械系统的跨越变量（速度）与电系统的跨越变量（电压）相模拟，机械系统的通过变量（力）与电系统的通过变量（电流）相模拟。机械系统中作用在一个质点上的所有通过变量的和为零，即；在电路中流入一个结点的所有通过变量电流130755-83376489的和为零，即。采用力电流模拟方法，可以将电系统的一个结点模拟机械系统的一个质点。从物理观点上看这种模拟方法比较直观，在模拟测试时也很方便。为了测量两个质点间的相对速度，只要测量相似电路中两个结点间的电压即可，这在实验测量中是很方便的。力电流相似系统的特点是。（1）机械系统的一个质点与模拟电路的一个结点相对应。（2）流入电路结点的激励电流与机械系统相

11、应质点的激励力模拟。与该结点相连接的电元件（GLC）与对应质点相连接的机械元件（ckm）相模拟。（3）当质量块的速度是相对于大地的速度，采用电容器模拟质量时，应将电容器的一端接电路地线。这样可以简化模拟电路。两个或更多个刚性连接的质量，其相似电路是两个或更多个一端接地的并联电容。上述例子（磁电式传感器测量结构物的振动速度）如果用力电流模拟其电路图如右所示140755-83376489目 录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一章 传感器的一般特性1.传感器的静态特性1.1 线性度1.2 灵敏度1.3 迟滞1.4 重复性2.传感器的动态特性2.1 动态参数测试的特殊问题2.2 研究传感器动态特

12、性的方法及其指标150755-83376489第 一 章传感器的一般特性160755-833764891.传感器的静态特性1.1 线性度传感器的理想输出输入特性是线性的，它具有以下优点：（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出输入特性上的两点（一般为零点和满度值）就可以确定其余各点；（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；（4）避免了非线性补偿环节。170755-83376489实际上许多传感器的输出输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输出输入特性。式中y输出量x输入物理量a0

13、零位输出a1传感器线性灵敏度a2、a3 、an待定系数在研究线性特性时，可不考虑零位输出。上式可能有三种特殊情况。（）理想的线性特性。如图(a)所示y = a1x的直线。在这种情况下，因此得到因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为180755-83376489（2）仅有偶次非线性项、如图（b）所示，其输出输入特性方程为：因为它没有对称性，所以其线性范围较窄。一般传感器设计很少采用这种特性。（）仅有奇次非线性项，如图（c）所示，其输出输入方程式为：190755-83376489具有这种特性的传感器，一般在输入量x相当大的范围内具有较宽的准线性。这是比较接近理想直线的非线性特性，它相对

14、坐标原点是对称的，所以它具有相当宽的近似线性范围。传感器的输出输入特性的线性度除受机械输入（弹性元件）特性影响外，也受电气元件的输出特性的影响。使电气元件对称排列，差动方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为：另一边反向输出为：总输出为二者之差：由上式可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提高一倍。在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，200755-83376489在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线。实际特性

15、曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如下图所示，取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。传感器的输出输入特性曲线（静态特性）是在静态标准条件下进行校准的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度为205C,相对湿度T0 ，现将热电偶迅速插到恒温水槽的热水中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的温度参数发生一个突变，即从T0 突然变化到T ，我们马上看一下热电偶输出的指示值，是否在这一瞬间从原来的T0 立刻上升到T 呢？显然不会。它是从T0 逐渐上升到T 的，热电偶指示出来温度从T0 上升到 T ，经历了时间从t0

16、到t 的过渡过程，如右图所示。没有这样一个过程就不会得到正确的测量结果。而从t0t 的过程中，测试曲线始终与温度从T0 跳变到T 的阶越波形存在差值，这个差值就称为280755-83376489动态误差，从记录波形看，测试具有一定失真。究竟是什么原因造成的测试失真和产生动态误差呢？首先可以肯定，如果被测温度不产生变化，不会产生上述现象。另一方面，就应该考查热电偶（传感器）对动态参数测试的适应性能了，即它的动态特性怎样。热电偶测量热水温度时，水温的热量需要一个过程和足够的时间间隔，所以热电偶不能在被测温度变化时立即产生相应的反映。这种由热容量所决定的性能称为“热惯性”。这种热惯性是热电偶固有的，

17、这种热惯性就决定了热电偶测量快速温度变化时产生动态误差。这种影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。.研究传感器动态特性的方法及其指标研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入290755-83376489时间函数如阶越函数，脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数得到频率响应特性。动态特性好的传感器暂态响应时间应该很短或者频率

18、响应范围应很宽的。这两种分析方法内部存在必然的联系，再不同场合，根据实际需要解决的问题不同而选择不同的方法。 在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，常常采用正弦变化和阶越变化的输入信号。 在采用阶越输入研究传感 器时域特性时，为表征传感器 的动态特性，常用上升时间 trs、响应时间tst、过调量C等参数来综合描述，如右图所示。 上升时间trs 是指输出指示值从最终稳定值的5或300755-83376489过调量C是指输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。tst 在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常使用幅频特性和相频

19、特性，描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。允许的测量误差值。在写出响应时间时应同时注明误差值的范围，例如是指从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所规定的范围内所需要的时间。最终稳定值的允许范围常取所10变到最终稳定值的95%或90%所需要的时间。响应时间310755-83376489目 录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一节 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 压阻式压力传感器的结构设计第五节 硅压阻式压力传感器的制造第六节 硅压阻式传感器的测量与补偿线路第七节

20、压阻式压力传感器的结构、性能与应用第八节电容式传感器320755-83376489第 二 章 压力传感器330755-83376489第二章 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，本章不可能一一讲到。这里只准备对扩散硅压阻式压力传感器的原理、设计及部分工艺作一讨论。340755-83376489第一节 应力、应变的基本概念1

21、.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。350755-83376489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，第一个记为截面法线指向，该应力是由法线指向一侧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

22、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，但是该截面面积为所以每单位面积上沿杆轴方向的内力为360755-83376489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，相应的应力为：式中， 为正应力， 为切应力。370755-833764892.应变的基本概念 在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

23、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：变形后长度：微元 段的伸长为段的平均伸长：380755-83376489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 点的应变第二节 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：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（1-1）390755-83376489由于（2-2）所以式（2-2）可写成（2-3）令 与 的比为泊松系数

24、， ，则有（2-4）式中负号表示径向应变与轴向应变相反400755-83376489将式（2-4）代入式（2-3），整理后得到（2-5）或写为（2-6）（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（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。410755-83376489（2-8）上式说明，金属材料在一定应变范围内的电阻变化率与应变成正比。第三节 压阻式压力传感器的基本原理2.3.1概述固体受到力的作用后，

25、电阻率将发生显著的变化，我们称为压阻效应。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。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（2-5）以增量表示可写为这是金属应变片式传感器的工作原理。420755-833764892.3.2 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。我们知道任何

26、材料电阻的变化率都可由下式决定：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（2-21）如果引用式中， 为压阻系数 ； 为应力 ； 为弹性模量 ； 为轴向应变，则上式可写为：(2-22)430755-83376489式中， 为半导体材料的灵敏系数。 半导体材料的 比 大得多，因而电阻相对变化可写成（2-23）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。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。440755-833764892.3.3 压阻系数 硅作为各向异性的晶体，它的压阻系数具

27、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。（2-24）由于弹性体中任意正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450755-83376489 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：（2-26）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。 460755-83376489二、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

28、三个晶轴为坐标轴，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：（2-27）470755-83376489由于法向应力不可能产生剪切压阻效应，则由于剪切应力不可能产生正向压阻效应，则由于剪切应力不可能在该应力所在平面之外产生压阻效应则：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，即横向压阻效应相等，即剪切压阻效应相等，即480755-83376489所以硅在晶轴坐标系中压阻系数的矩阵可简化为：

29、（2-28）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。490755-833764892.3.4 任意晶向的压阻系数若电流 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（2-28）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

30、123中的方向余弦为 ，则投影结果为：（2-29）图5求任意晶向的压阻系数500755-83376489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：(2-30)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）的电阻率的变化率，也就是电阻的变化率可由下式

31、求出：（2-31）510755-83376489左表是有关的压阻系数520755-83376489三、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1-9（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

32、的关系。由图可见，表面浓度低时，温度升高，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530755-83376489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。540755-83376489第四节 压阻式压力传感器的结构设计2.4.1 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

33、的硅敏感膜片，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。550755-83376489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 、膜片厚度 、膜片有效半径 、泊松系数 、计算点的半径 的关系式为根据上两式可作出圆形硅杯膜片上的应力分布图，如右图所示。由图可见，硅膜片圆心和边缘部位是应力最大的部位。560755-83376489当 时， ； 时， ，即为拉应力；时， ，即为压应力。当 时， 仅有 的压

34、应力；当 时， ；当 时。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。2.4.2 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。前面已经指出，570755-83376489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

35、虽各有特点，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

36、作为硅杯膜片，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， 580755-83376489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815cm,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

37、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，其条件为硅膜片的半径与膜片厚度的比应满足以下关系：式中，为硅的弹性极限，由上式可知，在给定压力P下可求出590755-83376489a/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，故硅膜片的固有频

38、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600755-83376489的配置都对传感器的灵敏度有很大的影响，需要计算确定。.扩散电阻条的阻值与几何尺寸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只有在时有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（也就是每个扩散电阻的阻值）为5003000欧姆。610755

39、-83376489关于电阻条的设计我们在集成电路课程中已经学过，这里就不讲了。.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：纵向压阻系数；横向压阻系数；径向应力；切向应力；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力大的部位上。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

40、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620755-83376489一般设计者往往选取N型硅作为衬底材料，选取（100）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。在（001）晶面上，110晶向的横向为 ，其横向压阻系数为图中表明力敏电阻R2、R4沿110晶向布置，纵向为110，则其纵向压阻系数为由计算可知，110、 晶向在晶轴坐标系中的方向余弦为630755-8337648

41、9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110方向上的纵向压阻系数与横向压阻系数：当硅膜片受力后，力敏电阻R2、R4阻值相对变化率（即径向电阻变化率）应为将110方向的径向压阻系数和横向压阻系数代入上式，得640755-83376489当力敏电阻R1、R3沿 晶向布置时，其纵向压阻系数为其横向压阻系数为用上面同样的方法可得到方向径向和横向压阻系数的近似值分别为硅膜片受力后，力敏电阻R1、R3阻值相对变化量（即切向电阻变化率）为650755-83376489将 方向的纵向和横向压阻系数代入上式，可得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

42、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，可得当r相同时，即纵向电阻与横向电阻布位于同一应力区时，纵、横向电阻相对变化率互为相反数。作出它们与r的关系曲线，如下图所示。660755-83376489（）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）晶面作为硅杯膜片，桥臂四个P型电阻均沿 晶向布置，如图所示。在（011）晶面上 晶向的纵向压阻系数为将代入上式得670755-83376489（011）晶面上 晶向的横向为100晶向，故横向压阻系数为将代入上式得所以受力后，每个电阻的

43、阻值变化率为上式说明。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，受力后力敏电阻的阻值变化率为正。当把力敏电阻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680755-83376489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：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

44、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。690755-83376489第五节 硅压阻式压力传感器的制造压阻式压力传感器的结构，主要有敏感元件（俗称硅杯）及壳体两大部分。因此。按制造工艺的不同也可概括为如下两大过程：（1）采用集成电路的方法在硅片上扩散惠斯顿电桥的四个电阻，而在其反面腐蚀一定的杯孔。（2）将硅杯通过静电封接、低温玻璃烧结等工艺组成传感器，并对其性能参数进行测试。一、硅压阻传感器的制造.硅杯的制作（1）选合适电阻率的单晶硅，进行定向、切割、双面磨抛，加工成一定形状、一定厚度的衬底基

45、片，如右图所示700755-83376489（2）采用集成电路方法对硅片进行氧化、光刻、扩散（或离子注入）等标准平面工艺制成电阻条。在背面刻出硅杯图形，进行硅杯腐蚀，制成硅杯压阻芯片。2.封装工艺首先测试合格芯片，用静电封装与低温玻璃烧结的方法将硅杯组装在壳体上；然后进行压焊，调零补偿；最后对传感器表面进行保护处理。用静电封装与低温玻璃烧结的方法代替有机胶黏结，可大大减少传感器的蠕变与滞后影响。静电封接工艺是将金属（或半导体）和玻璃加热至玻璃软化点以下，同时加以高电压，使两者在相互密接处产生静电力作用，形成气密性封接。二、几种新型硅芯片的制备工艺用上述常规工艺制作硅芯片，虽然简单易行，但是通过

46、控制腐蚀液和时间来控制硅杯膜片的厚度，是比较困难的，生产效率低，芯片一致性差，成品率较低，批量生产也有困难。下面介绍几种制备芯片的新工艺。710755-83376489.外延硅膜片制作法用集成电路的外延方法制作硅杯膜片是一种有效的方法，其制作工序如图所示硅片经过定向、磨、抛后，用扩散法或离子注入法将硼杂质注入硅片的一面（厚约微米），形成P型薄层。用外延法在P型层上外延生长一层层，层的电阻率比P型层高，外延层的厚度就是所需的硅杯膜片厚度。将此硅片氧化，在外延的层上光刻出电阻条区，用扩散法或离子注入法制作成P型电阻条。蒸发铝和光刻铝引线和硅杯孔，用各向异性腐蚀法腐蚀形成硅杯，制成硅压阻芯片。这一方

47、法的优点是： （1）由于采取对P型层不起作用的腐蚀液，P型层起着腐蚀隔离的作用。因此，硅膜片厚度是由外延生长控制的，可制成很薄的硅膜片。（2）硅杯的腐蚀能自动地在P型层停止。720755-83376489操作方便，成品率高，特别适合小型的硅压阻式压力传感器的制造。2.多晶硅膜片法为了制作成本低的硅压阻芯片，采用多晶硅作硅杯膜片，再在硅杯膜片上制作电阻条，形成硅压阻芯片，这一方法是利用多晶硅具有相当大的压力灵敏度，其压力灵敏度可由下式给出：式中R0、L0分别为零压力时的电阻和长度； 、 分别是压力产生的电阻变化与长度变化。其制作工序为：在（100）晶面或（110）晶面的N型单晶硅上生长一层氮化硅

48、（膜厚约0.40.6微米）。再在氮化硅层上外延生长多晶硅（厚约68微米）。以二氧化硅为掩蔽膜，用扩散法或离子注入法掺入硼杂质，形成P型电阻条。在背面光刻出硅杯掩蔽孔，730755-83376489由于氢氧化钾腐蚀液对氮化硅不起作用，当腐蚀到氮化硅层时即自行停止，制成多晶硅膜片，如上图所示。此种方法，制造成本低，膜片厚度易于控制，压力灵敏度高。3.硅-蓝宝石、硅-尖晶石弹性膜片的制备1975年美国贝尔公司发表专利，试制成功集成化硅-尖晶石弹性膜片。它是以尖晶石为衬底，外延一层P型硅制成应变电阻条，1979年美国康雷克公司研制成功硅-蓝宝石半导体力敏器件，它是在蓝宝石衬底上外延一层单晶硅，利用单晶

49、硅层制作力敏电阻条。这些传感器的特点是取消了硅压阻压力传感器所采用的PN结隔离，代之以高介电强度的绝缘衬底隔离。这样就克服了PN结隔离的如下缺点： （1）绝缘电阻不能作得很高，一般为100200M欧；（2）PN结需反向偏置，因此不能用于交流。前面所说的工艺中，前两项的目的是精确控制膜片的厚度。因为以前控制膜片的厚度是靠控制腐蚀速率和腐蚀时间，而这是很难作到精确控制的。其实，采用特别的方法是可以达到相同目的的。740755-83376489.利用双面各向异性腐蚀控制膜片厚度该方法原理很简单，采用集成电路的方法制作力敏电阻条，在背面光刻硅杯掩蔽孔的同时，在正面也刻出“切断孔”，其工艺过程见下图。利

50、用上述方法可以精确的控制膜片厚度，其膜片厚度与硅片正面的切断孔的开孔尺寸有关。即膜片厚度等于开孔宽度的0.7倍。（注意铝膜的保护）氧化氧化氧化光刻光刻光刻扩散扩散扩散光刻光刻光刻蒸铝蒸铝蒸铝反刻铝反刻铝反刻铝光刻光刻光刻各向异性腐蚀各向异性腐蚀各向异性腐蚀750755-83376489.微机械加工技术一、概述微机械加工技术是制造微型传感器和微机械元件的工艺技术，对于微传感器的实现和应用具有决定性的作用，它是一种微米加工技术。目前，大体上分为三类：硅微机械加工技术，超精密机械加工技术和X射线深层光刻电铸成型（LIGA)技术。硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的一项重要的扩展技术。它主要用于制造以硅

51、材料为基底、层与层之间有很大差别的三维微结构，它包括膜片、悬臂梁、探针、凹槽、孔隙和锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的电路相结合，已经成功地用于制造大量的固态传感器，实现压力、力、加速度、流量、磁场、pH值、温度、气体成分、离子和分子浓度的测量以及生物传感器等。当传感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金属材料为基底时，还要用到超精密机械加工技术，这里，激光精密加工（如激光打孔）将起到重要作用。X射线深层光刻电铸成型技术，是一种把X射线深层光刻760755-83376489和电铸成型结合起来的微结构成型工艺。除硅之外，还可加工出各种金属、陶瓷和塑料材料的三维结构。这种加工方法可实现重复精度

52、很高的大批量生产，而其它两类加工技术则很难做到。因此，LIGA技术的进一步研究将对微机械加工的发展起重大作用。二、硅微机械加工技术大部分微传感器都是用半导体硅制作，这不仅因为硅具有极优越的机械和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级微元件和微结构，且能达到极高的加工精度。硅微机械加工技术，除了含有高度发展的硅集成电路工艺外，还有它的一些独特工艺，主要有刻蚀（腐蚀）、薄膜和键合工艺。（）.刻蚀技术a.体型结构腐蚀加工腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术，有化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。就单晶硅而言，常用化学腐蚀方法。已有多种化学腐蚀液可供选择使用。各

53、向同性腐蚀利用氧化剂770755-83376489HNO3、去除剂HF（去掉SiO2）和稀释剂CH3COOH或H2O。通过改变成分比可以达到在很宽的范围内对腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件的选择。各向异性腐蚀主要用于三维结构成形，腐蚀液一般有KOH+H2O、乙二胺+邻笨二酚+水（EPW）和H2N4+H2O。腐蚀速率依赖于晶向，沿主晶面（100）面的腐蚀速率最快，（111）面最慢。右图表明了单晶硅立体结构的腐蚀加工。在加工过程中，先生长一层氧化层作为光刻掩蔽膜，并覆盖光刻胶形成图案，再浸入缓冲过的腐蚀液（氢氟酸）中，进行氧化层腐蚀；然后将此片放入各向异性的腐蚀液（如EPW）中对晶面进行纵向腐蚀，腐

54、蚀出腔体的界面为(111),与（100）表面的夹角为54.74度。为了精确地控制腐蚀后硅膜、硅梁等的厚度，常用PN结自停腐蚀技术。它是基于电化学腐蚀原理，即通过选择性780755-83376489的生长阳极氧化层实现自停腐蚀层。P-N结自停腐蚀分二电极、三电极和四电极三种结构。在二、三电极结构中，P型硅电位是“浮动”的，这对于理想的P-N结，漏电为零，P型硅可以“浮”到开路电位而腐蚀。但实际材料总存在漏电，漏电流使P型硅在溶液中极化，当达到钝化电位时，腐蚀将提前终止在P型硅上。在四电极结构中，如下图所示，由于P型硅上增加一个电极，就可将P型硅相对于参比电极控制在开路电位。另外，再给P-N结加上

55、个反偏电压。这样，便可实现腐蚀终止再N型硅外延层界面上。硅片上不应腐蚀的区域，都要用氧化层覆盖保护。离子刻蚀是加工硅、二氧化硅和多晶硅等的通用方法，刻蚀是在真空腔内进行的。该方法之一是等离子定向刻蚀。将硅片放在高频790755-83376489电源（RF）驱动的电极上，并置于充有含氟里昂气体（如CF4）的化学反应等离子体中，其中被激发的氟离子有极强的化学活性，可以和处于等离子体中的硅、二氧化硅等发生如下反应：反应离子在辉光放电中形成，并加速轰击放有硅材的基板。离子轰击可达到化学腐蚀一样的效果。离子刻蚀的缺点是，至今所能达到的最大刻蚀深度约为50微米量级。（）表面腐蚀加工牺牲层技术近几年来，人们

56、利用硅表面微机械加工技术，开发、研制出多种尺寸更小的悬式结构，如微型悬臂梁，悬臂块、微型桥和微型腔等。这些结构已成功地应用于微型谐振式传感器、加速度传感器，流量传感器和电容式传感器，应变式传感器中。该工艺技术的特点是，利用一个称为“牺牲层”的分离层制造出各种悬式结构，其一般工艺过程示于以下框图中：800755-83376489通过淀积法（如溅射、化学气相、直接蒸发）在Si基片表面上生成SiO2牺牲层（微米量级）根据要求的形状刻蚀掉一部分SiO2再通过淀积法在所剩下的SiO2层上生成Si层（即悬式结构材料），该层同时淀积在Si基片上SiO2已被刻蚀掉的区域用刻蚀法刻蚀淀积的Si层溶解SiO2牺牲

57、层获得与Si基片略微连接或完全分离的悬式结构下页的图为利用牺牲层制造多晶硅梁的技术过程。硅基底为N型硅（100），在硅基底上淀积一层氮化硅作为多晶硅梁的绝缘支撑，并刻出窗口（图（a）；利用局部氧化技术在窗口处生成一层二氧化硅作为牺牲层（图（b）；在二氧化硅层及剩下的氮化硅上面生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁（图（c）；腐蚀掉二氧化硅形成空腔，即获得桥式硅梁（图（d）。另外，腐蚀二氧化硅前先蒸铝，刻出铝压块以便引线（图（d）。810755-83376489下图（a）（j）为硅谐振子制造过程。硅基底为N型硅（100），在其表面上淀积一层二氧化硅并刻出窗口（图（a）；腐蚀出锥形槽（图（b）；局部生长强

58、P型硅（图（c）；再局部生长掺硼的P型硅（图（d）；再生长强P型硅（图（e）；再生长掺硼的P型硅（图（f）；腐蚀掉余下的二氧化硅层（图（g）；腐蚀出空腔和谐振子（图（h）；再生长一层N820755-83376489型硅层，借以封闭空腔（图（i）；抽出空腔内的氢气，形成一定真空度的空腔（图（j）。图（k）为由各向异性腐蚀的硅谐振子整体结构。830755-83376489综上所述，在利用牺牲层的表面微机械加工中，常用几种材料以薄膜形式组合在一起，形成结构层和牺牲层；再利用腐蚀技术制造出微型腔、微型桥、微型悬臂梁和膜片等。这种工艺技术不仅对发展微型传感器有重要意义，也对微能源、微致动器的发展具有重要

59、作用。840755-83376489.薄膜技术在微型传感器中，利用了各种薄膜。如多晶硅膜、二氧化硅膜、金属（合金）膜等作为传感器构件的复合材料。它们可以加工成各种梁、桥、弹性膜等，有的作为传感器的敏感膜，例如半导体和化合物半导体膜；有的作为介质膜起绝缘层作用，如氧化物介质膜；有的起尺寸控制作用的衬垫层（在加工完成之前去掉）。物理气相淀积和化学气相淀积是在衬底材料上制作薄膜的两种常用工艺技术。物理气相淀积是利用蒸镀和溅射（离子束轰击靶材料，使被轰击下来的物质在衬底上淀积）。化学气相淀积工艺是让气体与衬底材料本身在被加热的表面进行化学反应，使另一种物质在表面上成膜。制作薄膜的方法较多有：（）真空蒸

60、镀；（）溅射成膜工艺；（）化学气相淀积；（）等离子化学气相淀积。由于在相关课程中已有介绍，各工艺具体的方法就不讲了。如有兴趣，可参考有关教材和科技书目。850755-83376489三、X射线深层光刻电铸成型技术该项工艺是深层同步辐射X射线光刻和电铸工艺相结合的制造技术。与牺牲层技术相结合便可制造出微型悬式结构，其工艺过程如左侧框图所示。下页所示的图为用该工艺制造的悬臂结构示例。在陶瓷或附有绝缘层硅基底上溅射Cr、Ag贴附层和电铸成型的基底面（图（a）；腐蚀一部分中间层，溅射牺牲层，并用紫外光通过掩膜照射牺牲层制作平面图形（图（b）；在钛860755-83376489牺牲层基底上淀积光致抗蚀剂