压阻式微机械传感器.ppt

双E形硅芯片结构压力传感器 芯片采用硅各向异性腐蚀工艺制成的非整体膜结构。硅芯片采用双面抛光的（100）晶面N型硅圆片。用这种硅芯片和硅片背面的封隔膜先封装成压力敏感元件，然后再封装成压力传感器。 压阻式传感器 双E形硅芯片结构压力传感器 该传感器的弹性膜的厚度均匀性和一致性好。此中弹性膜比较厚，但敏感区是自由端，可以在较低的压力下得到较大的敏感区应变。因此，这种传感器有较高的灵敏度。 压阻式传感器 压阻式传感器 压阻式传感器 压阻式传感器(Piezoresistive Sensors) 压阻式传感器 ρ—电阻率 —长度 —横截面积 压阻式传感器 改变几何尺寸 改变R的方法 改变电阻率ρ 长度增加，在有限的 泊松比下横截面积会减小 电阻率是应变的函数， 随应变的变化而变化 压阻式传感器 改变电阻率引起的电阻值改变比 几何尺寸产生的改变量大得多。 压阻式传感器 原理 压阻式传感器是利用硅材料的压阻效应制作而成的传感器，是将被测的物理量转换成硅材料电阻率的变化来进行测量的。 肉眼看不到 半导体硅 外力作用 发生应变 内部结构电子 能级发生变化 电阻率发 生变化 电阻变化 压阻式传感器 压阻传感器的材料 金属应变计 多晶硅 单晶硅 压阻式传感器 金属应变计 优点 1.金属比半导体可以减少掺杂 2。可以在比半导体掺杂所需温度低的温度下制作 缺点 性能没有半导体的优越 压阻式传感器 单晶硅 重掺杂 半导体应变计通过对硅进行掺杂实现的 电阻的主体部分是中等掺杂 电阻的两端是更高的掺杂浓度，从而可以与金属引线形成欧姆接触。 掩膜屏蔽 掩膜屏蔽 接触掺杂 中等掺杂 掩膜屏蔽 掩膜屏蔽 电阻掺杂 压阻式传感器 多晶硅 1020 1019 1021 -2 -6 -10 -8 -14 -12 -16 -4 -24 -22 -20 -18 1020 1019 1021 -8 -12 -16 -18 -20 -14 -22 -10 -30 -28 -26 -24 N型多晶硅 多晶硅比单晶硅有更多的优点，包括能够淀积在更多的衬底上 最大的多晶硅浓度约为3X1019 cm-3 多晶硅的应变系数比单晶硅小的多，它受到生长的工艺和退火条件的影响。N型和P型多晶硅的应变系数受掺杂浓度影响很大。 不同掺杂类型和不同浓度下多晶硅的应变系数 压阻式传感器 最大的多晶硅浓度约为1019 cm-3 P型多晶硅 压阻加速度传感器 压阻式压力传感器 压阻式微机械 传感器 压阻式传感器 比较成熟 压阻式微机械传感器的结构形式多为梁式结构 测量范围一般可以从 灵敏度一般为0.1mV/g到15mV/g。 对于压阻式微机械传感器，比较典型的产品是美国的EG G IC SENSORS公司生产的系列微机械加速度传感器。该系列有一维加速度传感器，也有三维加速度传感器。 1、压阻式微机械加速度传感器 压阻式传感器 压阻式传感器 民用 军用 汽车安全气囊模态分析 模态分析 震动试验 飞行动力测量 运动控制 航空航天中的飞行导航 弹药的点火控制 运用领域 3255型加速度传感器是比较典型 和具有代表性的一种传感器。 3255型加速度传感器 压阻式传感器 3255系列是一种四悬臂梁结构的传感器，质量块和四个悬臂梁式用体硅微机械加工技术制作成的。整个传感器采用三层结构，上层为上盖，由凹槽和自测试电极组成；中间层是有框架、一个敏感质量块和四个悬臂梁组成；下层为下盖，由凹槽和止动点装置组成。 压阻式传感器 3255型加速度传感器的基本结构： 传感器的芯片是一种“双悬臂”的加速度传感器，两块芯片是：硅传感器芯片和信号调节专用集成电路（ASIC)芯片。这都安装在陶瓷基板上，密封严密，防止外界环境的影响 压阻式传感器 四个梁的每一个梁上都有两个压敏电阻，互相形成惠斯登电桥。当传感器收到加速度作用时，质量块产生上下移动，从而使其中四个压敏电阻阻值增加，而另外四个压敏电阻阻值减小。电桥的输出电压与受到的加速度成正比，八个压敏电阻互连可以抵消任何非敏感轴方向加速度的影响。 压阻式传感器 工作原理： 这是一种低量程高线性压阻式微机械传感器的结构剖面。为获得高灵敏度，该传感器采用悬臂梁结构，同时悬臂梁非常薄。传感器由三部分组成：其核心是中间的梁岛结构芯片，在梁的部分由硼扩散形成应变电阻，四只应变电阻构成的惠斯登电桥。 铝盘 应变电阻 梁 质量块 压阻式传感器 悬臂梁上应变电阻的分布示意图 1 2 3 4 5 R1 R2 R3