第13章压阻传感器.pptVIP

§13.1压阻效应

§13.2晶向的表示方法

§13.3压阻系数

§13.4压阻式传感器

§13.5压阻式传感器的温度补偿

§13.6集成压阻式传感器压阻式传感器分类粘贴型压阻传感器：半导体应变片固态压阻传感器（扩散型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化§13.1概述压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻率（或电阻）发生变化的现象。半导体（单晶硅）材料受到外力作用，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，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫半导体压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上，沿特定晶向制成应变电阻，构成惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，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，称为固态压阻传感器。材料阻值变化：压阻式传感器的特点灵敏度高:硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高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:由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。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，使用带宽可以从零频至100千赫兹。温度误差大:须温度补偿、恒温使用应用情况以气、液体压力为检测对象的称为固态压阻压力传感器，诞生于六十年代末期。显然，它较之传统的膜合力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目前仍是压力测量领域必威体育精装版一代传感器。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，它已是压力传感器中的重要品种，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。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来构成智能传感器的基础，因此最受瞩目。一、晶面表示方法密勒指数：表示方式：例：例：判断两晶面垂直判断或求出与两晶向都垂直的第三晶向§13.2晶向的表示方法半导体单晶硅是各向异性体晶列晶面面间距晶向：晶面的法线方向半导体单晶硅是固态压阻传感器的基础材料问题是：如何一体化设计制作敏感元件及其作为转换元件的敏感电阻？§13.3、压阻系数一、单晶硅的压阻系数电阻率的变化与应力分量之间的关系:分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应正向应力不可能产生剪切压阻效应剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应剪切压阻系数相等正向压阻系数相等横向压阻系数相等对P型硅(掺杂三价元素）：π11、π12≈0，只考虑π44：对N型硅(掺杂五价元素）：π44≈0，π12≈-1/2π11、，二、任意方向（P方向）电阻变化将各个压阻系数向P、Q方向投影:关于方向余弦某晶向x,y,z(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：例1：计算（100）晶面内〈011〉晶向的纵向与横向压阻系数例2：计算（110）晶面内〈110〉晶向的纵向与横向压阻系数例3：作出P型硅（100）晶面内纵向与横向压阻系数分布图三、影响压阻系数大小的因素1、压阻系数与杂质浓度的关系解释：2、压阻系数与温度的关系载流子浓度的影响Ns大：π受温度影响小π44↓→灵敏度低高浓度扩散，使p-n结击穿电压↓→绝缘电阻↓→漏电→漂移→性能不稳定实物结构§13.4、压阻式传感器一、（膜片式）压阻式压力传感器压阻传感器设计弹性元件形状与尺寸的设计晶向选择：常用（100），（110），（111）等晶面力敏电阻条在弹性元件上的合理布局：差动惠斯顿全桥具有最高的灵敏度、最好的温度补偿性能和最高的输出线性度，因此，绝大多数压阻式传感器采用了等臂的、差动惠斯顿全桥作为敏感检测元件。且满足：电阻的变化量尽量大一般在某一晶面内选择两个相互垂直的晶向扩散电阻圆硅膜片的应力分析二、任意方向（P方向）电阻变化关于方向余弦某晶向x,y,z(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：膜片应力分析方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向

压阻效应在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1、在110晶向：扩散两个径向P型电阻2、在110晶向：扩散两个切向P型电阻所以：或扩散在0.812a处，此时σt=