壓阻式壓力傳感器

1、第二節(jié)壓阻式傳感器固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料 的這種效應(yīng)特別強。利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半 導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片；另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路 工藝制成擴散電阻，稱擴散型壓阻傳感器。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。 頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷參數(shù)。因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫 度補償。1. 基本工作原理根據(jù)式（2 3）式中，】項，對金屬材料，其值很小，可以忽略不計，對半導(dǎo)體材料，厶少；項 很大，半導(dǎo)體電阻率的變化為式中為沿某晶

2、向的壓阻系數(shù)，c為應(yīng)力，.為半導(dǎo)體材料的彈性模量。如半導(dǎo)體硅材料,城 (40-80)x10-ilm22/匚二 則_. 1'.此例表明，半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)（1 + 2卩）大很多?？山普J(rèn)半導(dǎo)體電阻材料有結(jié)晶的硅和鍺，摻入雜質(zhì)形成 P型和N型半導(dǎo)體。其壓阻效應(yīng) 是因在外力作用下，原子點陣排列發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化而形 成的。由于半導(dǎo)體（如單晶硅）是各向異性材料，因此它的壓阻系數(shù)不僅與摻雜濃度、 溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。所謂晶向，就是晶面的法線方向。晶向的表示方法有兩種，一種是截距法，另一種是法線法1 截距法設(shè)單晶硅的晶軸坐標(biāo)系為x、y、z，

3、 如圖2 29所示，某一晶面在軸上的截距分別為 r、s、t1/r、1/s、1/t為截距倒數(shù)，用r、s、t的最小公倍數(shù)分別相乘，獲得三個沒有公 約數(shù)的整數(shù)a、b、c，這三個數(shù)稱為密勒指數(shù)，用以表示晶向，記作a b c，某數(shù)（如a）為負(fù)數(shù)則記作b c。例如圖2-30（a），截距為一2、一2、4，截距倒數(shù)£ 1 1為一、一：、'，密勒指數(shù)為 1。圖2-30（b）截距為1、1、1,截距倒數(shù)仍 為1、1、1,密勒指數(shù)為1 1 1。圖2-30（c）中ABC面，截距分別為1、x、x， 截距倒數(shù)為1、0、0,所以密勒指數(shù)為1 0 0。2法線法 如圖2-29所示，通過坐標(biāo)原點O,作平面的法線O

4、R 託與x、y、z 軸的夾角分別為拆 cos 1嚴(yán)十»coszcos / = p（2 一24）cos a、cos B、cos 丫為法線的方向余弦，如果法線 p的大小與方向已知，則該平 面就是確定的。如果只知道p的方向，而不知道大小，則該平面的方位是確定的。若通過p在X、y、z坐標(biāo)系中作長方形，與x、y、z的交點分別為L、M N。方向余弦 也可用I、m n來表示，其中廠匸，廠山，門L。對同一個平面，則可由（2 23）式或（2 24）式表示，則由（2 24）得cos cos Q+ cos r= 1卩PP '（2 一 25）比較式（2-23）與式（2-25）則有可見，用密勒指數(shù)或用

5、方向余弦皆可表示晶向。為了求取任意晶向的壓阻系數(shù)'，必須先了解晶軸坐標(biāo)系內(nèi)各向壓阻系數(shù)。如果 將半導(dǎo)體材料沿三個晶軸方向取一微單元，如圖2-31所示。當(dāng)受有作用力，微單元上的應(yīng)力分量應(yīng)有 9個，只是剪切應(yīng)力總是兩兩相等，即因此應(yīng)力分量中僅有6個獨立分量。即眄1 T 眄、込2 T 込、戀T 乜、衍T 氏、巾冬、込jT有應(yīng)力就會產(chǎn)生電阻率變化，6個獨立應(yīng)力分量可在6個相應(yīng)方向產(chǎn)生6個獨立電阻率Zb變化，若電阻率變化用符號表示，貝U相應(yīng)為，電阻率的變化率與應(yīng)力之間的關(guān)系是由壓阻系數(shù)表征，則可列成下表根據(jù)上表，可寫出下列矩陣方程矩陣中的壓阻系數(shù)有如下特點:1 剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)，矩

6、陣中右上塊內(nèi)各分量應(yīng)為零, 即2正向應(yīng)力不可能產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)，矩陣中左下塊內(nèi)各分量應(yīng)為零，即I 匕. '' .'-' -:.'；73剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，因此只剩下牛、三項。而其余 L " 一4 單晶硅是正立方晶體，考慮到正立方體的對稱性，則吒一巧廠殆一旳廠叼廠馮2 .正向壓阻效應(yīng)應(yīng)相等，故橫向壓阻效應(yīng)應(yīng)相等，故剪切壓阻效應(yīng)應(yīng)相等，故因此壓阻系數(shù)的矩陣為町2吒000坷2000馮1000000螞4000000岳000000殆(2 26)由此矩陣可以看出，獨立的壓阻系數(shù)分量只有“、J、站三個，”稱為縱向壓阻系數(shù)；1稱為橫向壓阻

7、系數(shù)；二稱為剪切壓阻系數(shù)。必須強調(diào)的是，上列矩陣是相對晶軸坐標(biāo)系推導(dǎo)得出的，因此 、0是相對三個晶軸方向而言的三個獨立分量。當(dāng)電阻方向不在晶軸方向時，或應(yīng)力不在晶軸方向時，壓阻張量要從一個坐標(biāo)系 變換到晶體主軸坐標(biāo)系。計算較復(fù)雜，這里不進(jìn)行討論。當(dāng)硅膜比較薄時，可以略去沿硅膜厚度方向應(yīng)力，三維向量就簡化成了一個二維 向量，任何一個膜上的電阻在應(yīng)力作用下的電阻相對變化為：應(yīng)(2 - 27)式中”縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)縱向應(yīng)力一一橫向應(yīng)力3.溫度誤差及其補償由于半導(dǎo)體材料對溫度比較敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏系數(shù)隨溫度變 化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移。圖2- 32所示在不同雜質(zhì)濃度下，P

8、型硅的壓阻系數(shù)山與溫度的關(guān)系。摻 雜濃度較低時，壓阻系數(shù)較高，而它的溫度系數(shù)也較大，反之，摻雜濃度高時， 它的溫度系數(shù)可以很小，但壓阻靈敏度系數(shù)太低。一般不采用高摻雜的辦法來 降低溫度誤差。壓阻式傳感器一般擴散四個電阻，并接入電橋。當(dāng)四個擴散電阻阻值相等 或相差不大，溫度系數(shù)也一樣，則電橋零漂和靈敏度漂移會很小，但工藝上很 難實現(xiàn)。零位溫漂一般可用串、并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補償。如圖2-33所示，串聯(lián)電阻RS起調(diào)零作用，并聯(lián)電阻 R則主要起補償作用，R是負(fù)溫度系數(shù)電阻，當(dāng) 然R上并聯(lián)正溫度系數(shù)電阻也可以。R、Ft值和溫度系數(shù)要選擇合適。要根據(jù)四 臂電橋在低溫和高溫下實測電阻值計算出來，才能取得較好

9、的補償效果。電橋的電源回路中串聯(lián)的二極管 八是補償靈敏度溫漂的。二極管的PN結(jié)壓 降為負(fù)溫度特性，溫度每升高 1C，正向壓降減小1.92.4mA若電源采用恒 壓源，電橋電壓隨溫度升高而提高，以補償靈敏度下降。所串聯(lián)二極管數(shù)，依 實測結(jié)果而定。4.壓阻式傳感器舉例1 .半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器這種傳感器常用硅、鍺等材料做成單根狀的敏感柵，如圖2-30所示：其使用方法與金屬應(yīng)變片相同。因為式中（1+ 2卩）項是半導(dǎo)體材料幾何尺寸變化引起的，與一般電阻絲式相 差不多，而項是壓阻效應(yīng)引起的，其值比前者大近百倍，故（1+ 2卩）項 可忽略，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)近似為二；| - o半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是

10、靈敏系數(shù)很大，可測微小應(yīng)變，尺寸小，橫向 效應(yīng)和機械滯后也小。主要缺點是溫度穩(wěn)定性差，測量較大應(yīng)變時，非線性嚴(yán) 重，必須采取補償措施。此外，靈敏系數(shù)隨拉伸或壓縮而變，且分散性大。2. 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器又稱擴散硅壓力傳感器。結(jié)構(gòu)如圖2-31（a）所示,其核心部分是一塊沿某晶向（如10）切割的N型的圓形硅膜片（見圖2-35（b）。在膜片上利用集成電路工藝方法擴散上四個阻值相等的P型電阻。用導(dǎo)線將其構(gòu)成平衡電橋。膜片的四周用圓硅環(huán)（硅杯）固定，其下部是與被 測系統(tǒng)相連的高壓腔，上部一般可與大氣相通。在被測壓力P作用下，膜片產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。膜片上各點的應(yīng)力分布由式（2- 20）和式（2

11、-21）給出。當(dāng)7時，徑向應(yīng)力為零值。四個電阻沿1 1 0晶向并分別在x=0.635r處的內(nèi)外排列，在0.635r之內(nèi)側(cè)的電阻承受的:為正值，即拉應(yīng)力（見圖2- 25（b），外側(cè)的電阻承受的是負(fù)值，即壓應(yīng)力。由于1 1 0晶向的橫向為0 0 1，因此 , I ,代入式（229）內(nèi)外電阻的相對變化為式中 “、I內(nèi)、外電阻上所承受徑向應(yīng)力的平均值。_ _ _（蘭）i = （）0設(shè)計時，要正確地選擇電阻的徑向位置，使 二込°,因而使丘'"丘"。 使四個電阻接入差動電橋，初始狀態(tài)平衡，受力 P后，差動電橋輸出與P相對 應(yīng)。為了保證較好的測量線性度，要控制膜片邊緣處徑向應(yīng)變膜片厚度為式中 ；膜片邊緣允許的最大徑向應(yīng)變。壓阻式壓力傳感器由于彈性元件與變換元件一體化，尺寸小，其固有頻率 很高，可以測頻率范圍很寬的脈動壓力。固有頻率可按下式計算式中硅片的密度（kg/m2）壓阻式壓力傳感器廣泛用于流體壓力、差壓、液位等的測量。特別是它的 體積小，最小的傳感器可為0.8mm在生物醫(yī)學(xué)上可以測量血管內(nèi)壓、顱內(nèi)壓等 參數(shù)。3. 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器采用單晶硅作懸臂梁，在其近根部擴散四個電阻，見圖2-33。當(dāng)梁的自由端的質(zhì)量塊受到加速度作用時，在梁上受到彎矩和應(yīng)力