压阻式传感器

第13章压阻式传感器1）压阻式传感器的工作原理—半导体压阻效应2）压阻系数、阻值变化的计算a、压阻系数与任意方向阻值变化的计算b、晶向与密勒指数3）典型压阻式传感器原理分析4）温度漂移及其补偿主要内容：1§13.1概述1）压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻率（或电阻值）发生变化的现象。2）半导体压阻效应：半导体（单晶硅）晶片受到外力作用，产生肉眼无法察觉的极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率产生剧烈的变化，表现在由其材料制成的电阻器阻值发生极大变化。3）固态压阻传感器：利用压阻效应原理，采用集成电路制作等一些特殊工艺，在单晶硅片上沿特定晶向生成电阻，组成电桥，并利用硅的力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集应力敏感与力电转换于一体的力学量传感器。2压阻式传感器分类粘贴型压阻传感器：半导体应变片半导体应变片固态压阻传感器固态压阻传感器（扩散型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化3应用情况1）开始研制于1960s。以气、液压力为检测对象，与膜盒式、电感式、电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器比较，技术上有明显优势，目前仍是压力测量领域主要产品。2）由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在传感器市场上占有很大比例，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。3）目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件构成智能传感器，倍受欢迎。45压阻效应：6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对半导体：7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50～100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:小量程对应高分辨率。体积小、重量轻、频率响应高:芯体采用集成工艺，无传动部件，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，工作频带宽，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。受温度影响大: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。8§13.2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：表示原子或离子的分布形态。原子或离子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：单晶硅的受力或者电阻测量取向，为晶面的法线方向。基本概念：X(1)Y(2)Z(3)9晶面表示方法zxyrst截距式：法线式：r,s,t－x,y,z轴的截距cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦法线长度10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）11表示方式表示晶面表示晶向（逗号可以用空格代替）表示晶面簇对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l)晶面的法线方向；{h,k,l}晶面簇的晶面都与（h,k,l)晶面平行。12例：晶向、晶面、晶面族分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-213例：（特殊情况）xyz14判断两晶面垂直两晶向：A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:垂直：不垂直：15求与两晶向都垂直的晶向两晶向：A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:晶向C<h3,k3,l3>与A、B都垂直，则:16例：求与两晶向都垂直的第三晶向已知：已知：1718§13.3压阻系数一、单晶硅的压阻系数312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ1319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：20六个独立的应力分量：六个独立的电阻率的变化率：正应力剪应力21电阻率的变化与应力分量之间的关系22剪切应力不产生正向压阻效应正应力不产生剪切压阻效应分析23剪切应力只能在剪切应力作用平面方向产生压阻效应24分析正向压阻系数相等（正立方晶体、对称性）横向压阻系数相等剪切压阻系数相等25压阻系数矩阵独立的压阻系数分量纵向压阻系数：π11横向压阻系数：π12剪切压阻系数：π44注意：相对三个晶轴方向而言！26压阻系数矩阵和压电矩阵的比较纵向压阻系数：π11横向压阻系数：π12剪切压阻系数：π44压电矩阵：压阻矩阵：压电系数石英：d11d12d14d25d26压电陶瓷：d31d32d33d15d2427下面要思考解决的问题：1、薄片扩散硅和硅立方晶体的关系是什么？2、扩散硅的晶向如何确定？3、如何通过密勒指数计算压阻传感器的电阻率的变化？4、P型硅和N型硅的区别是什么？5、压阻系数受哪些因素的影响？28二、任意方向（P方向）电阻条电阻变化P（σ//）Q(σ⊥)123Iσ∥：纵向应力σ⊥

：横向应力π∥：纵向压阻系数π⊥:横向压阻系数注意：晶轴方向。单晶硅扩散硅扩散条为特殊的2向应力状态！29将各个压阻系数向P、Q方向投影(l1,m1,n1):P方向的方向余弦(l2,m2,n2):Q方向的方向余弦30硅压阻系数的典型数据1）对P型硅：π11、π12≈0，只考虑π44

2）对N型硅：π44≈0

，π12≈

-1/2π11请注意：认为某个系数近似为零只是用于分析设计，抓主要矛盾！！！31硅压阻系数确定路线：取正六面体单晶硅根据材料确定独立压阻系数分量π11、π12、π44

确定待求方向的方向余弦取晶向为参考坐标方向计算纵向、横向压阻系数32关于方向余弦某密勒指数为x,y,z的晶向的方向余弦为：33例1：计算（100）晶面内〈011〉晶向的纵向与横向压阻系数。zxy（011）（100）34解：设（100）晶面内〈011〉晶向的横向为C，则：zxy（011）（100）35设〈011〉与〈011〉晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,和l2、m2、n2，所以：3637例2：计算（110）晶面内〈110〉晶向的纵向与横向压阻系数。zxy（110）<110>38解：做法1：（110）晶面内〈110〉晶向的横向为C.取<001>zxy（110）<110><001>39设（110）晶面内晶向的一般形式为〈hkl〉,则：（110）晶面内〈110〉晶向的横向为〈001〉做法2（根据规律试凑）：做点乘验证正确40设〈110〉与〈001〉晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,和l2、m2、n2所以：4142例3：做出P型硅（100）晶面内纵向与横向压阻系数分布图。解：设（100）晶面内晶向的一般形式为〈hkl〉,则：43设P与Q的方向余弦为：l1、m1、n1,l2、m2、n2，根据图中P、Q的方向，有：123αPQ4445压阻系数对2轴（<010>晶向）和3轴（<001>晶向）对称。压阻系数对<011>和<011>晶向对称。压阻系数在<011>和<011>晶向最大。32<010><010><011><011><001><001><011><011>以极坐标形式表示46表面杂质浓度Ns（1/cm3)π11或π44三、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(1018~1021)增加，压阻系数减小。P型Si（π44)N型Si（π11)47解释：ρ：电阻率

n：载流子浓度e：载流子所带电荷μ：载流子迁移率Ns↑→杂质原子数多→载流子多→n↑→ρ↓杂质浓度Ns↑→n↑→在应力作用下ρ的变化更小→

△ρ↓↓→△ρ/ρ↓→压阻系数减小482、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。Ns小Ns大温度Tπ44解释：T↑→载流子获得的动能↑→运动紊乱程度↑→μ↓→ρ↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大:温度引起μ变化较小→π变化小Ns小:温度引起μ变化较大→π变化大49载流子浓度影响总结Ns比较大时：a.压阻系数π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↑→π↓→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。50§13.4压阻式传感器一、压阻式压力传感器为固定边缘,硅膜片的周边较厚,呈杯形,也称为硅杯。硅膜片上的四个扩散电阻接成电桥。硅边的内腔与被测压力p相连,杯外与大气相通，测量表压；若杯外与另一压力源相接,则可测压差。51实物结构52硅膜片的晶向选择与扩散电阻位置的确定1)膜片晶面(晶向)选择：常用（001）、（110）、（110）等晶面(晶向)。2)电阻条位置的确定：电阻的变化符合测量电桥要求;电阻的变化量尽量大;一般制作方法：在某一晶面内选择两个相互垂直的晶向扩散电阻。53测量电桥R1+△R1R2-△R2USCUsrR3-△R3R4+△R454圆硅膜片的应力/应变分析σr/aσrσt0.6350.812σrσtCaution:电阻应变式直接测量线应变，而压阻式电阻条直接测量的是正应力！ahp55方案一：<110><110>在<001>晶向的N型硅膜片上，沿<110>与<110>二晶向扩散四个P型电阻条。56晶向解释：<110><110>xyz（001）（110）（110）(001)面平行于xoy面!。57在<110>晶向：扩散两个径向电阻.<110>、<110>的方向余弦分别为：<110><110>58对于P型Si，π11、π12≈0，只考虑π44

<110><110>5960在<110>晶向：扩散两个切向电阻<110><110>6162在<110>晶向：扩散两个切向电阻在<110>晶向：扩散两个径向电阻63r结论:将电阻扩散到硅膜片的边缘！64或扩散在r=0.812a处，此时σt=0注意：为r=a处的2/3左右。65方案二：只利用纵向压阻效应在<110>晶向的园形硅膜片上，沿<110>晶向在0.635a之内与之外各扩散两个P型电阻条，<110>的横向为<001><110><001>R1R2R3R466在0.635a之内σr为正，在0.635a之外σr为负，所以：67R1R2R3R4第二种布片方法6869传感器典型结构70三角翼表面气体压力测量71二、压阻式加速度传感器<110><110>m：质量块的质量(kg)b,h：悬臂梁的宽度和厚度（m）l：质量块的中心至悬臂梁根部的距离（m）a：加速度(m/s2)悬臂梁单晶硅衬底采用（001）晶面，沿<110>与<110>晶向分别扩散二个P型电阻条：基座lbh72在<110>晶向扩散两个P型电阻R1R2<110>晶向的压阻系数：73在<110>晶向扩散两个P型电阻R3R4<110>晶向的压阻系数：74归纳：75ζ=20.80.60.512345543210加速度传感器幅频特性76

它是一种惯性式传感器。质量块3沿加速度a相反的方向运动（即相对于基座运动），使梁1发生形变，压阻条2产生输出信号，输出信号的大小与加速度成正比。传感器结构77三、压阻式传感器的输出1、恒压源供电设：扩散电阻起始阻值都为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为△Rt：R1+△R1R2-△R2USCR3-△R3R4+△R478电桥输出为：当△Rt=0时：△Rt≠0时，Usc=f(△t)是非线性关系恒压源供电不能消除温度影响。792、恒流源供电输出与I成正比；输出与温度无关，不受温度影响；精度要求不高时用恒压源供电。R1+△R1R2-△R2USCR3-△R3R4+△R4ABCD80调理电路：供桥电流IS=5~10mA放大器增益：81四、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。82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。真空蒸镀图中,1—真空室,2—基底,3—钨丝,4—接高真空泵。83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,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜。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。84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。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852、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、掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、制作形状复杂、尺寸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。861）先在单晶硅的（100）晶面生长一层氧化膜作为光掩膜,并在其上覆盖光敏胶形成图案（保护氧化膜，并可以利用光将其去除）,再浸入氢氟酸中,腐蚀氧化膜；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°。单晶硅体型结构的腐蚀加工(2)光刻和腐蚀氧化层(b)热生成硅氧化膜单晶硅(100)面基片(1)氧化的硅基片(a)光敏胶(3)各向异性腐蚀硅(c)(111)硅平面54.740871）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