新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-压阻式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（3）-压阻式传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（3）-压阻式传感器3第五部分思考题（3）发表在MOOC讨论区里1.讨论压阻效应的各向异性特性对压阻式传感器的影响；2.分析右图所示的压阻式传感器提供的信息；3.设计一种压阻式加速度传感器，讨论提高其测量范围的可能措施

5.3.1压阻式变换原理5.3.2压阻式传感器的典型实例5.3.3硅压阻式传感器温度漂移的补偿45压阻效应有两种应用方式：一是利用体电阻制成应变片，见第3章；另一种在半导体基片上制成扩散型压敏电阻或离子注入型压敏电阻；电阻率ρ，长L，横截面半径r的电阻，其变化率为金属电阻相对变化与其所受轴向应变dL/L成正比；半导体电阻取决于载流子浓度Ni、空穴或电子迁移μav，电阻率可表示为半导体受外力作用产生应力，引起载流子浓度、平均迁移率变化，使电阻率变化，这是压阻效应本质；半导体电阻率相对变化可写为σL

—轴向应力(Pa)；πL

—压阻系数(Pa-1)，单位应力引起电阻率相对变化量5.3.1压阻式变换原理电阻变化率常用半导体材料弹性模量1.3×1011～1.9×1011Pa，压阻系数50×10-11～138×10-11Pa-1，故πLE范围65～262；半导体压阻效应等效应变灵敏系数远大于金属对半导体材料压阻效应，可描述为硅压阻式传感器主要优点：压阻系数高、灵敏度高、分辨率高、动态响应好、易于集成化、智能化、批量生产；主要缺点：温度应用范围相对较窄，温度系数大，温度误差较大；减小压阻效应温度系数，是关键问题；5.3.1压阻式变换原理7单晶硅为各向异性材料，不同取向，压阻效应不同；因此需研究单晶硅晶向、晶面；平面的截距表示法图示为晶面表示：截距、法线方向、方向角，有密勒指数，它们为无公约数的最大整数ABC晶面：(hkl)，相应方向：<hkl>

1.基本表述

5.3.1压阻式变换原理（晶向、晶面）8单晶硅为立方晶格，讨论图示正立方体2.计算实例

(1)ABCD面在三个坐标轴截距：1，∞，∞；即h：k：l＝1：0：0，晶面为(100)，相应晶向<100>(2)ADGF面在三个坐标轴截距：1，1，∞；即h：k：l＝1：1：0，晶面为(110)，相应晶向<110>正立方体示意图(4)BCHE面该面向y

轴负方向平移一个单元，在三个坐标轴截距：1，-1，∞；即h：k：l＝1：-1：0，晶面，相应晶向(4)ABKL面正方体向x

轴负方向平移一个单元，考虑ABKL面，在三个坐标轴截距：1，∞，0.5；即h：k：l＝1：0：2，晶面(102)，晶向<102>5.3.1压阻式变换原理（晶向、晶面）9半导体压阻效应可描述为σa

，σn

—纵向(主方向)应力和横向(副方向)应力；πa

，πn

—纵向压阻系数和横向压阻系数图为一标准单元微立方体；六个独立应力(σ11,σ22,σ33,σ23,σ31,σ12→

σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6

)引起六个独立电阻率相对变化量，关系为单晶硅微立方体上应力分布1.压阻系数矩阵[π]为压阻系数矩阵，特点有：5.3.1压阻式变换原理（压阻系数）10单晶硅微立方体上应力分布[π]为压阻系数矩阵，特点有：(1)切应力不引起正向压阻效应；(2)正应力不引起剪切压阻效应；

三个主方向轴向压阻效应相同，纵向压阻系数；横向压阻效应相同，剪切压阻系数剪切压阻效应相同，横向压阻系数；(3)切应力只在自己剪切平面内产生压阻效应，无交叉影响；(4)具有一定对称性，且有三个独立的压阻系数P型硅(空穴导电)可忽略π11、π12；π44＝138.1×10-11Pa-1；N型硅(电子导电)可忽略π44；π12≈-0.5π11；π11=-102.2×10-11Pa-1

5.3.1压阻式变换原理（压阻系数）1，2，3为单晶硅立方晶格主轴方向；在任意P方向形成压敏电阻条R，即长度方向，称纵向，也是工作电流方向；Q

方向为压敏电阻条的副方向，称横向；2.任意晶向压阻系数—P

方向在标准立方晶格坐标系的方向余弦；—Q

方向在标准立方晶格坐标系的方向余弦P方向与Q方向均在3’方向晶面内；记为1’方向、2’方向；压阻效应为单晶硅任意方向压阻系数计算图115.3.1压阻式变换原理（压阻系数）3.计算实例(100)面上晶向纵向、横向示意图(1)计算(100)面上晶向纵向、横向压阻系数

图示单位立方体；ABCD为(100)面，其上

晶向为BD，相应横向<011>为AC；→

P型硅，πa=0.5π44，πn=-0.5π44；

N型硅，πa=πn=-0.25π11

方向余弦；压阻系数<011>方向余弦；

125.3.1压阻式变换原理（压阻系数）3.计算实例P型硅(001)面(2)绘出P型硅(001)面内纵向和横向压阻系数分布图(001)面内，纵向P

与1轴夹角为α，与P

方向垂直的Q方向为横向；(001)面内，方向P

的方向余弦l1=cosα，m1=sinα，n1=0；方向Q方向余弦l2=sinα，m2=-cosα，n2=0；P型硅(001)面内纵向和横向压阻系数分布压阻系数→

本算例πa=-πn；如图为πa分布图，关于1轴(<100>)和2轴(<010>)对称，关于45°直线(<110>)和135°直线()对称135.3.1压阻式变换原理（压阻系数）5.3.1压阻式变换原理5.3.2压阻式传感器的典型实例5.3.3硅压阻式传感器温度漂移的补偿1415硅压阻式压力传感器结构示意图1.结构原理

可参照第3章“应变式压力传感器”相关内容；依测量范围(最大压力测量值)、初选的最大应变值，可得膜片半径厚度比最大值、相对中心位移最大值、应力最大值；评估敏感单元工作特性非线性情况图为一种典型硅压阻式压力传感器结构；敏感元件为单晶硅圆平膜片；利用扩散或离子注入工艺在硅膜片上制作压敏电阻；2.圆平膜片几何结构参数设计5.3.2压阻式传感器的典型实例（压力）163.压敏电阻位置设计<001>晶向单晶硅圆平膜片单晶硅圆平膜片晶向<001>，如图周边固支圆平膜片上表面应力平膜片的应力曲线(001)面上纵向和横向压阻系数R1、R4纵向取圆膜片径向R1、R4纵向取圆膜片径向它们的压阻效应为5.3.2压阻式传感器的典型实例（压力）173.压敏电阻位置设计（续）<001>晶向单晶硅圆平膜片R2、R3纵向取圆膜片切向它们的压阻效应为→按上述方式设置P型压敏电阻，径向电阻条阻值随压力单调减，切向电阻条阻值随压力单调增；且减小量与增加量相等考虑夹角α，压敏电阻条设置方向应为45°(225°)或135°(315°)，效应最显著右图为压敏电阻相对变化规律；→将电阻条设置于圆膜片边缘处

<001>晶向单晶硅圆平膜片压敏电阻相对变化的规律5.3.2压阻式传感器的典型实例（压力）184.电桥电路输出恒压源供电电桥电路采用恒压源供电，四个受感电阻初值均为R0；压力增大，R2、R3增加量△R2=△R(p)；R1、R4减小量-△R1=△R(p)；同时考虑温度引起压敏电阻增量均为△R(T)；电桥输出恒流源供电电桥电路采用恒流源供电，输出为较大的温度误差→与温度无关输出与压敏电阻变化量△R(p)成正比，即与被测量成正比；但与温度无关，这是最大优点；故硅压阻式传感器多采用该方式；恒流源两端电压→或许是一种温度测量方法5.3.2压阻式传感器的典型实例（压力）195.动态特性圆平膜片最低阶固有频率若提高动态特性，增加敏感结构最低阶固有频率；可增加膜片厚度、减小半径；也可选择较大弹性模量方向(即<111>晶向)；半径受工艺条件影响较大，可调整厚度改变膜片固有频率；厚度增加，灵敏度降低；应综合考虑静态特性与动态特性圆平膜片结构压阻式压力传感器频响宽，动态响应快，测量范围从几Pa到几百兆帕，特别适用于工业自动化领域，爆炸、冲击压力的测量；但不宜用于温度变化较大场合6.小结5.3.2压阻式传感器的典型实例（压力）201.敏感结构与压敏电阻设计

硅压阻式加速度传感器结构示意图示一种典型硅压阻式加速度传感器结构；梁根部制作四个相同P型压敏电阻，沿长度方向(<110>)设置R2、R3；沿宽度方向()设置R1、R4

梁自由端质量块受加速度作用产生应力，压敏电阻变化梁上表面，沿x方向正应力B，h—

梁宽度和厚度；l—

压敏电阻长度；被测加速度绝对值最大值时，梁上表面根部处应变、应力最大为保证输出有良好线性度，应变、应力应小于一定量级，约束条件悬臂梁允许最大应变值，如5×10－4比例极限安全系数5.3.2压阻式传感器的典型实例（加速度）21一种新型整体式结构的冲击加速度传感器图示一种新型整体式结构的冲击加速度传感器结构；传感器长方形钢制外壳中，设置有悬臂梁式整体敏感元件，即在1mm2的硅片上加工成整体弹簧、敏感质量块及四个臂的压敏电阻电桥系统的悬臂梁；利用各向异性刻蚀技术和微电子加工技术由单晶硅刻蚀而成，量程达105g；整体式结构和特别小的结构参数保证了传感器具有大的强度-质量比，且单独分离的压敏电阻使传感器线性度和灵敏度达到最佳值5.3.2压阻式传感器的典型实例（加速度）22一种微型悬臂梁压阻式加速度传感器图示一种用于心脏测量、质量小于0.02g的微型悬臂梁压阻式加速度传感器，封装结构参数为2mm×3mm×6mm，加速度测量范围0.001~50g，频率上限达100Hz，精度为1%；该开环加速度传感器结构简单、体积小、重量轻、成本低、应用广泛5.3.2压阻式传感器的典型实例（加速度）23一种闭环压阻式加速度传感器结构原理某些要求精度较高、量程较大、阈值较小，需采用闭环加速度传感器；基于开环压阻式加速度传感器，对敏感质量块进行力反馈，使得在工作范围内，敏感质量块感受的由外界加速度引起的惯性力与反馈力始终处于平衡状态，构成闭环压阻式加速度传感器，如图悬臂梁固支端制作压敏电阻电桥；自由端上、下对称连接两个力矩器线圈形成反馈5.3.2压阻式传感器的典型实例（加速度）5.3.1压阻式变换原理5.3.2压阻式传感器的典型实例5.3.3硅压阻式传感器温度漂移的补偿