壓阻式傳感器解讀課件

1、第八章 壓阻式傳感器1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2 壓阻式壓力傳感器原理和電路 (1) 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片(2) 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器(3) 測量橋路及溫度補(bǔ)償3 壓阻式傳感器的應(yīng)用下一頁返 回1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 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)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。 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、加速度和載荷等參數(shù)。因?yàn)榘雽?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(bǔ)償。上一頁返 回下一頁利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制造的傳感器。一、壓阻效應(yīng)及壓阻系數(shù)壓阻效應(yīng)：在半導(dǎo)體材料上施加作用力，

2、其電阻率發(fā)生變化。壓阻式壓力傳感器4壓阻式傳感器的特點(diǎn)靈敏度高:硅應(yīng)變電阻的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片高50100倍，故相應(yīng)的傳感器靈敏度很高，一般滿量程輸出為100mv左右。因此對接口電路無特殊要求，應(yīng)用成本相應(yīng)較低。分辨率高: 能分辨1mmH2O(9.8Pa)的壓力變化。體積小、重量輕、頻率響應(yīng)高:由于芯體采用集成工藝，又無傳動部件，因此體積小，重量輕。小尺寸芯片加上硅極高的彈性系數(shù)，敏感元件的固有頻率很高。在動態(tài)應(yīng)用時，動態(tài)精度高，使用頻帶寬，合理選擇設(shè)計(jì)傳感器外型，使用帶寬可以從靜態(tài)至100千赫茲。溫度誤差大: 須溫度補(bǔ)償、或恒溫使用。由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，四個應(yīng)變電阻的一致性可做的很高，加

3、之計(jì)算機(jī)自動補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)步，目前硅壓阻傳感器的零位與靈敏度溫度系數(shù)已可達(dá)10-5/數(shù)量級,即在壓力傳感器領(lǐng)域已超過的應(yīng)變式傳感器的水平。壓阻效應(yīng) 金屬材料 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體電阻率 l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。 上一頁返 回下一頁6參考知識：晶向的表示方法1)半導(dǎo)體單晶硅是各向異性材料;2)硅是立方晶體，按晶軸建立座標(biāo)系;3)晶面：原子或離子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：晶面的法線方向.X(1)Y(2)Z(3)7晶面表示方法zxyrst截距式：法線式：r,s,tx,y,z軸的截距cos,co

4、s,cos法線的方向余弦法線長度8密勒指數(shù)三個沒有公約數(shù)的整數(shù)密勒指數(shù)密勒指數(shù)：截距的倒數(shù)化成的三個沒有公約數(shù)的整數(shù)。(方向余弦比的整數(shù)化表示）9表示方式表示晶面表示晶向表示晶面族對立方晶體來說，h,k,l晶向是（h,k,l) 晶面的法線方向；h,k,l晶面族的晶面都與（h,k,l)晶面平行。10例：晶向、晶面、晶面族分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：xy111zzxy4-2-211例： （特殊情況）xyz對半導(dǎo)體材料而言，l E (1+)，故(1+)項(xiàng)可以忽略半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率的變化是由應(yīng)變引起的 半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示 半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還

5、與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小上一頁返 回下一頁13壓阻系數(shù)一、單晶硅的壓阻系數(shù)31222232133323111121314材料阻值變化六個獨(dú)立的應(yīng)力分量：六個獨(dú)立的電阻率的變化率：廣義：15六個獨(dú)立的應(yīng)力分量：六個獨(dú)立的電阻率的變化率：正應(yīng)力剪應(yīng)力16電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系17表面雜質(zhì)濃度Ns（1/cm3)11或44三、影響壓阻系數(shù)大小的因素1、壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)減小P型Si（44)N型Si（11)18解釋：電阻率 n：載流子濃度e：載流子所帶電荷 ：載流子遷移率Ns雜質(zhì)原子數(shù)多載流子多 n雜質(zhì)濃度Ns n在應(yīng)力作用下的變化更小 / 的變

6、化率減小壓阻系數(shù)減小19溫度T442、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度升高時，壓阻系數(shù)減??；表面雜質(zhì)濃度增加時，溫度對壓阻系數(shù)的影響變?。ㄏ陆邓俣茸兟?。Ns小Ns大20解釋：T載流子獲得的動能運(yùn)動紊亂程度 / Ns大， 變化較小 變化小Ns小， 變化大 變化大21載流子濃度影響總結(jié)Ns比較大時：a.受溫度影響小c.高濃度擴(kuò)散，使p-n結(jié)擊穿電壓絕緣電阻漏電漂移性能不穩(wěn)定b. Ns 靈敏度結(jié)論：綜合考慮靈敏度和溫度誤差，根據(jù)應(yīng)用條件適當(dāng)選擇載流子的濃度。22壓阻效應(yīng)的原因:應(yīng)力作用晶格變形能帶結(jié)構(gòu)變化載流子濃度和遷移率變化2 壓阻式壓力傳感器原理和電路(1) 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片(2) 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳

7、感器(3) 測量橋路及溫度補(bǔ)償24參考知識： 敏感元件加工技術(shù)1.薄膜技術(shù) 薄膜技術(shù)是在一定的基底上,用真空蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相淀積（CVD）等工藝技術(shù)加工成零點(diǎn)幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈性元件,也可加工為轉(zhuǎn)換元件,有的可作為絕緣膜,有的可用作控制尺寸的犧牲層,在傳感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。25在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱,當(dāng)真空度抽到0.0133Pa以上時,加大鎢絲的加熱電流,使材料融化,繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā),在基底上凝聚成膜。如圖所示。真空蒸鍍圖中,1真空室,2基底,3鎢絲,4接高真空泵。 26在低真

8、空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在1000V以上）使氣體電離形成等離子體,等離子中的正離子以高能量轟擊靶面,使靶材的原子離開靶面,淀積到陽極工作臺上的基片上,形成薄膜,如圖所示。濺射圖中,1靶,2陰極,3直流高壓,4陽極,5基片,6惰性氣體入口,7接真空系統(tǒng)。27 化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一種氣體化合物在一個反應(yīng)室中進(jìn)行反應(yīng),生成固態(tài)的淀積物質(zhì),淀積在基底上生成薄膜,如圖所示?；瘜W(xué)氣相淀積（CVD）圖中,1反應(yīng)氣體A入口, 2分子篩, 3混合器, 4加熱器, 5反應(yīng)室, 6基片, 7閥門, 8反應(yīng)氣體B入口282、微細(xì)加工技術(shù) 微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異

9、向腐蝕特性和腐蝕速度與摻雜濃度的關(guān)系,對硅材料進(jìn)行精細(xì)加工、制作復(fù)雜微小的敏感元件的技術(shù)。1) 體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工 體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工常用化學(xué)腐蝕液（濕法）和離子刻蝕（干法）技術(shù)（采用惰性氣體）。2)表面腐蝕加工犧牲層技術(shù) 該工藝的特點(diǎn)是利用稱為“犧牲層”的分離層,形成各種懸式結(jié)構(gòu)。291）如圖(a)、(b)所示,先在單晶硅的（100）晶面生長一層氧化層作為光掩膜,并在其上覆蓋光刻膠形成圖案,再浸入氫氟酸中,進(jìn)行氧化層腐蝕；2）將此片置于各向異性的腐蝕液（如乙二胺鄰苯二酚水）對晶面進(jìn)行縱向腐蝕,腐蝕出腔體的界面為（111）面,與（100）表面的夾角為54.74,如圖(c)所示。單晶硅立體結(jié)構(gòu)的腐蝕

10、加工過程30利用該工藝制造多晶硅梁的過程：1）在N型硅（100）基底上淀積一層Si3N4作為多晶硅的絕緣支撐,并刻出窗口,如圖(a)所示。利用局部氧化技術(shù)在窗口處生成一層SiO2作為犧牲層,如圖(b)所示；2）在SiO2層及余下的Si3N4上生成一層多晶硅膜（PoLy-Si)并刻出微型硅梁,如圖(c)所示。腐蝕掉SiO2層形成空腔,即可得到橋式硅梁,如圖(d)所示。另外,在腐蝕SiO2層前先濺鋁,刻出鋁壓焊塊,以便引線。表面腐蝕加工犧牲層技術(shù)形成硅梁過程 31圖(a)為方形平膜片結(jié)構(gòu),除用于壓力傳感器外,亦可用于電容式傳感器。圖(b)為懸臂梁結(jié)構(gòu),可用于加速度傳感器。圖(c)為橋式結(jié)構(gòu),圖(d

11、)為支撐膜結(jié)構(gòu),圖(e)為E型膜（硬中心）結(jié)構(gòu),這些都是常用于應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)。微型硅應(yīng)變式傳感器的一些基本結(jié)構(gòu)上一頁返 回下一頁（1）體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 2. 測量電路 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多 上一頁返 回下一頁體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式 1-P型單晶硅條 2-內(nèi)引線3-焊接電極4-外引線對于恒壓源電橋電路，考慮到環(huán)境溫度變化的影響，其關(guān)系式為：2. 測量電路 恒壓源恒流源電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。R為應(yīng)變片阻值， R

12、為應(yīng)變片阻值變化， Rt為環(huán)境溫度變化受環(huán)境溫度引起阻值的變化電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。上一頁返 回下一頁（2） 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 上一頁返 回下一頁工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。 四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。 設(shè)計(jì)時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電

13、橋。 上一頁返 回下一頁擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器 特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 上一頁返 回下一頁（3） 測量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補(bǔ)償誤差措施 1. 測量電橋 2. 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償 3. 靈敏度溫度補(bǔ)償上一頁返 回下一頁1. 測量電橋恒流源供電的全橋差動電路 假設(shè)RT為溫度引起的電阻變化 電橋的輸出為電橋

14、的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關(guān)，因此測量不受溫度的影響。上一頁返 回下一頁2.溫度漂移及其補(bǔ)償上一頁返 回UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移 零 漂 擴(kuò)散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移 壓阻系數(shù)隨溫度變化零 位 溫 漂 串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂 串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用 42補(bǔ)償原理：R1R2USCR3R4RsRpU設(shè)右上角加的為低溫下對應(yīng)的值；設(shè)右上角加 的為高溫下對應(yīng)的值。43若Rs Rp溫度特性已知：-串聯(lián)電阻的溫度系數(shù)（負(fù)值）； -并聯(lián)電阻的溫度系數(shù)（負(fù)值）；聯(lián)立上面四方程，可以得：常溫下的值3

15、 . 靈敏度溫度補(bǔ)償補(bǔ)償靈敏度漂移原理： 溫度升高時，靈敏度降低，這時如果提高電源電壓，使電橋輸出適當(dāng)增大，便可達(dá)到補(bǔ)償目的。 溫度升高時，二極管壓降降低，可使電橋電源電壓提高，關(guān)鍵是適當(dāng)選擇串聯(lián)二極管的個數(shù)。45若Rs Rp阻值不隨溫度變化，則：聯(lián)立上面二方程，可以得：對比上述兩種方法！46壓阻式傳感器常用補(bǔ)償方法1)硬件線路補(bǔ)償2)軟件補(bǔ)償3)專用補(bǔ)償芯片補(bǔ)償 MCA7707(MAX1457)是一種采用CMOS工藝的模擬傳感信號處理器。通常被應(yīng)用于壓阻式壓力傳感器的校正和溫度補(bǔ)償。3 壓阻式傳感器的應(yīng)用1. 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2. 差頻壓阻式壓力傳感器3. 壓阻式加速度傳感器1. 擴(kuò)散

16、型壓阻式壓力傳感器1-低壓腔 2-高壓腔 3-硅杯 4-引線 5-硅膜片在膜片位移量遠(yuǎn)小于膜片的厚度時，受均勻壓力的圓形硅膜片上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力 和切向應(yīng)力 ,可分別用下式計(jì)算: 優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)就是體積小、結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)相應(yīng)好，靈敏度高，滯后、蠕變小，頻率相應(yīng)高，性能穩(wěn)定，成本低，便于批量生產(chǎn)。 2.差頻壓阻式壓力傳感器差頻壓阻式壓力傳感器工作原理圖 （a）分布阻容網(wǎng)絡(luò)； （b）相移振蕩器； （c）差頻振蕩壓阻 式壓力傳感器組合獨(dú)立的相移正弦振蕩器振蕩頻率為： 壓力的變化 ：在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度和克服零點(diǎn)漂移，一般都采用差頻輸出的形式。也就是在選擇適當(dāng)?shù)木?/p>

17、向和擴(kuò)散電阻的位置，做成兩套相移振蕩器并連接寬帶放大器和頻率綜合器，將其組合在一起構(gòu)成差頻壓阻式壓力傳感器， 3 壓阻式加速度傳感器 它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴(kuò)散電阻擴(kuò)散在其根部兩面 。擴(kuò)散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a上一頁返 回下一頁壓阻式加速度傳感器1-基座；2-擴(kuò)散電阻；3-單晶硅懸臂梁；4-質(zhì)量塊。利用單晶硅作懸臂梁，在其根部擴(kuò)散出4個電阻，當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時，就將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，產(chǎn)生應(yīng)力，使4個電阻值發(fā)生變化。電橋不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。 Kulite GAE813固態(tài)壓阻式加速度計(jì)的有關(guān)參數(shù)：量程10100g；靈敏度：15V/g；