講義的材料以及工藝

第3章

微傳感器的常用材料及加工工藝微型化作為傳感器的主要發(fā)展方向,不僅是各應(yīng)用領(lǐng)域需求推動的結(jié)果,也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然.沒有相應(yīng)的材料制備以及基礎(chǔ)加工工藝的支持,要實(shí)現(xiàn)微傳感器幾乎是不可能的.傳感器的微型化起源于半導(dǎo)體制造工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，而MEMS技術(shù)的發(fā)展則是微傳感器的最直接推動力。微傳感器是目前最為成功、最具有實(shí)用性的MEMS器件。3.1材料的基本知識

微傳感器的敏感原理是一些物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象，而微傳感器的具體實(shí)現(xiàn)則是依靠一些能有效表現(xiàn)這些現(xiàn)象的材料。材料對于微傳感器的研究與制作都起著相當(dāng)重要的作用。沒有好的材料，就不可能有好的微傳感器。2007材料的基本物理特性

一切物質(zhì)，包括固體、液體和氣體，都是由無數(shù)微粒按一定的方式聚集而成的。這些微?？赡苁欠肿?、原子或離子。原子結(jié)構(gòu)直接影響原子間的結(jié)合方式。若外電子層未填滿，原子便試圖獲得額外電子，組成分子或聚合物。

有4種主要鍵合類型，即離子鍵、金屬鍵、共價(jià)鍵和范德瓦爾斯力。

離子鍵是由不同極性離子之間的靜電吸引所形成的。大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。離子鍵形成晶體——其原子按長距離三維圖案排列，以降低總能量并維持電中性的固體。因?yàn)闆]有自由電荷，離子之間的強(qiáng)內(nèi)聚力使得離子鍵形成的晶體具有低的電導(dǎo)率、相當(dāng)高的熔融溫度和良好的機(jī)械強(qiáng)度。

2007

金屬鍵也是由靜電力產(chǎn)生的。與離子鍵不同，這些靜電力不是在占據(jù)固定位置的電荷之間，而是在固定的正電荷與圍繞固定金屬正離子運(yùn)動的電子云之間。金屬中的自由電子來自于原子的最外層電子（價(jià)電子）。因此，金屬具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，但不需要特殊的原子排列來保證電中性，而是由群集的電子云維持電中性。金屬中的晶體結(jié)構(gòu)由原子的聚集能力決定。較小的原子可以通過半徑較大的原子晶格擴(kuò)散，如鍺中的銅。

金屬的基本特點(diǎn)是電子的共有化。金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個(gè)原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形而改變原子之間的相互位置時(shí)，不至于使金屬鍵破壞，這使金屬有良好的延展性。并且，由于自由電子的存在，金屬一般都有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。2007

共價(jià)鍵來源于與相鄰原子共享電子的原子。兩個(gè)或多個(gè)電極性相差不大的原子間通過共用電子形成化學(xué)鍵。共價(jià)鍵鍵合的基本特點(diǎn)是核外電子云達(dá)到最大的重疊，形成“共用電子對”，有確定的方位，且配位數(shù)較小。

共價(jià)鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。共價(jià)鍵晶體中各個(gè)鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小。共價(jià)鍵的結(jié)合極為牢固，故共價(jià)鍵形成的晶體穩(wěn)定具有結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆等特點(diǎn)。范德瓦爾斯力出現(xiàn)在分子內(nèi)部具有共價(jià)鍵的分子之間。由于電子的連續(xù)運(yùn)動而使正電荷中心與負(fù)電荷中心不重合，故其偶極矩很小。范德瓦爾斯力屬于物理鍵，是一種次價(jià)鍵，沒有方向性和飽和性。比化學(xué)鍵的鍵能要少1~2個(gè)數(shù)量級。范德瓦爾斯力將有機(jī)分子維持在一起，形成內(nèi)聚能很小的晶體，而且晶體的結(jié)構(gòu)取決于分子聚集在一起的程度。不同的高分子聚合物有不同的性質(zhì)，分子間的范德瓦爾斯力不同是一個(gè)重要因素。

2007由于內(nèi)聚力小，具有范德瓦爾斯力的材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都不高。

另外，氫鍵是一種特殊的分子間作用力。它是由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子（如O、F、N等）相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵大的鍵力，具有飽和性和方向性。氫鍵在高分子材料中特別重要。

原子中的電子只能占據(jù)確定的狀態(tài)或能級,即使受到激發(fā)時(shí)也是如此.對應(yīng)于未激發(fā)態(tài)的能級與對應(yīng)于激發(fā)態(tài)的能級間隙等于使一個(gè)電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所需能量的大小。大多數(shù)原子中都有許多能級，各臨近能級形成能帶。

固體的電子性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

能帶之間的相對間隔決定了材料的電導(dǎo)率，這對微傳感器是一個(gè)有用的特性。2007根據(jù)結(jié)構(gòu)，固體可以呈單晶態(tài)、多晶態(tài)、非晶態(tài)和玻璃態(tài)。晶體可以看成是完全填滿空間的“晶胞”的周期性重復(fù)。晶胞可以用空間點(diǎn)陣來描述。原子不僅占據(jù)頂點(diǎn)，而且也能占據(jù)晶胞的中心、兩個(gè)面或多個(gè)面的中心或它們的組合。方向和晶面用所謂米勒指數(shù)來表示。

多晶材料（如金屬和陶瓷等）由經(jīng)晶界結(jié)合的大量隨機(jī)取向的晶體（所謂晶粒）集聚而成。當(dāng)晶粒足夠小時(shí)，多晶材料的一些物理特性（如彈性模量、電導(dǎo)率和熱膨脹）呈各向同性，盡管構(gòu)成的晶體可能呈各向異性。

非晶態(tài)固體（如樹脂）沒有有序原子，它們是固化的液體。當(dāng)冷卻時(shí)，其黏度增大，因而阻礙晶體的形成和生產(chǎn)。玻璃具有短序列，但缺乏長序列。非晶態(tài)結(jié)晶的材料（如大多數(shù)聚合物）為非晶態(tài)，但部分晶化。2007導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)材料有兩類導(dǎo)體，即電導(dǎo)體（金屬及其合金）和離子導(dǎo)體或電解液（酸、堿和鹽溶液）。

在微傳感器中，金屬還可以用來構(gòu)成能使被測對象產(chǎn)生顯著變化的電路元件，如電渦流微傳感器中的線圈、電容微傳感器中的極板、電化學(xué)微傳感器中的電極等。在諸如雙金屬溫度微傳感器或者彈性元件之類的微傳感器中，微傳感器的特性也主要依賴于金屬及其合金的特性。

此外，有一類特殊的金屬材料，稱為金屬功能材料，近年來得到了大量的研究與應(yīng)用。人們利用金屬功能材料具有傳導(dǎo)信息、存儲或記錄、轉(zhuǎn)化或變換能量的特性，設(shè)計(jì)制造了多種微傳感器。量大面廣的有磁性材料、彈性材料、熱電偶材料、熱敏電阻材料、應(yīng)變電阻合金、形狀記憶合金等。2007利用金屬功能材料的功能特性已設(shè)計(jì)出了力敏、磁敏、熱敏及流量等多種微傳感器。隨著微傳感器發(fā)展，這類材料向精、細(xì)、箔和非晶態(tài)方向發(fā)展，新型功能材料以及傳統(tǒng)功能材料的新功能研究也成為研究的主要方向之一。例如，利用金屬及合金制作膜型微傳感器、厚膜及薄膜鉑電阻溫度計(jì)，利用坡膜合金沉積在襯底上并經(jīng)光刻工藝制造磁敏電阻，將應(yīng)變電阻合金沉積在襯底上生產(chǎn)應(yīng)變計(jì)等。

金屬及合金漿料、引線和保護(hù)材料等都是微傳感器不可缺少的主要輔助材料。其中，直徑小于0.018mm，又有一定強(qiáng)度的超細(xì)貴金屬絲材就是亟待解決的問題。對不同介質(zhì)耐腐的彈性材料的表面改性技術(shù)也在探索研究中。2007另一方面，離子導(dǎo)體或電解液主要用于化學(xué)微傳感器，尤其是基于電化學(xué)原理的微傳感器。雖然電化學(xué)微傳感器方面的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面仍然存在許多需要研究的問題。電化學(xué)微傳感器的技術(shù)成熟度幾乎是目前所知的化學(xué)量微傳感器中最高的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，商業(yè)化的氣體微傳感器中，90%以上屬于電化學(xué)類傳感器。

由于半導(dǎo)體材料對很多信息量具有敏感特性，又有成熟的平面工藝，易于實(shí)現(xiàn)多功能化、集成化和智能化，同時(shí)也是很好的襯底材料，所以是理想的微傳感器材料。半導(dǎo)體材料目前已經(jīng)廣泛用在微傳感器中，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)也將會占據(jù)主導(dǎo)地位。

半導(dǎo)體材料在電子電路中的應(yīng)用早已為人們所熟知。由于對硅在電子器件中所呈現(xiàn)的特性有了深入的了解，硅材料的優(yōu)良機(jī)械性能（抗拉強(qiáng)度比鋼大、硬度高但易碎）、可將信號調(diào)理電路集成在同一芯片上、可利用微加工工藝進(jìn)行大批量生產(chǎn)，使得硅成為一種應(yīng)用方便的微傳感器材料。2007電介質(zhì)材料具有共價(jià)鍵，是良好的電絕緣體。電介質(zhì)材料的特性常用介電常數(shù)來表征。介電常數(shù)是電通量密度與電場強(qiáng)度之比。電介質(zhì)被用作電絕緣體，同時(shí)也可用于檢測，如用在可變電容器中。陶瓷、有機(jī)聚合物和石英也是微傳感器中經(jīng)常使用的電介質(zhì)。

陶瓷材料能耐腐蝕、磨損和高溫，已經(jīng)成為普通傳感器以及厚膜和薄膜微傳感器中用來支撐其他敏感材料的常用材料。陶瓷材料本身也可以用作微傳感器的敏感材料。敏感陶瓷的種類很多，應(yīng)用也很廣泛。按其特性，一般包括熱敏陶瓷、壓敏陶瓷、濕敏陶瓷、氣敏陶瓷和光敏陶瓷等。此外，陶瓷智能性結(jié)構(gòu)材料，既具有傳感功能，又有像壓電元件那樣的執(zhí)行功能。此外，還可用某些陶瓷制造出具有感知、執(zhí)行（轉(zhuǎn)換）和初步的信息處理功能的電子器件。2007有機(jī)聚合物是大量所謂單體的相同分子由共價(jià)鍵結(jié)合在一起時(shí)形成的大分子。鍵合分子可以形成直線結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)。直線排列能給出可彎曲、富有彈性、柔軟和熱塑性的材料，即黏性隨溫度升高而增大的材料。某些熱塑性材料，如尼龍、聚乙烯和聚丙烯都呈結(jié)晶態(tài)，聚苯乙烯、聚碳酸脂和聚氯乙烯則呈非晶態(tài)。熱固性材料具有三維結(jié)構(gòu)，它們不易彎曲，易碎，幾乎不能溶解，被加熱時(shí)會產(chǎn)生不可逆變化。硅、聚氰胺塑料、聚脂和環(huán)氧樹脂是常見的熱固性材料。熱固性材料除可直接用作微傳感器的材料外，還可以用于結(jié)構(gòu)型微傳感器的保護(hù)。例如，環(huán)氧樹脂經(jīng)常被用來封裝微傳感器的電路，不僅可有效提高微傳感器電路在使用中抗意外損傷的能力，而且可有效保護(hù)微傳感器的敏感元件結(jié)構(gòu)及電路不易被人仿制。合成橡膠則是特性類似橡膠的第三類聚合物。2007將填料加入聚合物所得到的塑料可以改善塑料的機(jī)械特性.塑料是優(yōu)良的電絕緣體,但某些塑料也用于檢測濕度、壓力和溫度。例如，某些合成橡膠在受到延伸時(shí)會改變電導(dǎo)率，可用于應(yīng)力檢測，制成類似“電子皮膚”的微傳感器陣列。在橡膠材料中添加炭黑可增強(qiáng)對材料的應(yīng)力敏感特性，其中炭黑的添加工藝是調(diào)整材料敏感范圍以及靈敏度的關(guān)鍵所在。此外，在聚合物中添加一些良導(dǎo)體（如銀粉或炭粉）以及在聚合物生長期間添加不同的平衡離子即可變成導(dǎo)電聚合物。聚合物還可用作離子選擇性微傳感器和生物傳感器中的敏感膜。2007

MEMS常用材料MEMS所用的材料中,以硅材料最為常見.此外,金屬及金屬氧化物也是MEMS的常用材料.1.單晶硅與多晶硅

單晶硅是廣泛使用的、廉價(jià)的MEMS材料。其物理特性穩(wěn)定，無塑性變形。單晶硅是各向異性的材料，性能取決于晶體的切向。

當(dāng)硅材料沉積在基片表面時(shí)，就會形成多晶硅。多晶硅是由硅的微晶組成的，這些微晶的尺寸在0.1μm到十幾μm之間。多晶硅常用作微電子電路中的連線材料。獲得多晶硅的沉積工藝有多種。多晶硅具有同單晶硅類似的機(jī)械性能，只不過沒有晶面，在受到相對比較低的應(yīng)力時(shí)就會發(fā)生破裂，且破裂的方向是隨機(jī)的。2.氧化硅與氮化硅

氧化硅（SiO2)是非常有用的電子材料，其介電常數(shù)低，電阻率非常高，且容易成型、黏附力強(qiáng)。裸露在空氣中的硅在室溫下就會形成一層厚度約為3nm的氧化硅。當(dāng)加熱到300?C并保持1h后，可形成1μm的氧化硅層。2007氧化硅的沉積工藝及應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。在應(yīng)用中需要注意的是，氧化硅的熱膨脹系數(shù)比硅要小，因此硅襯底表面的氧化硅層通常會處于一種受壓狀態(tài)。

氮化硅（Si3N4)同樣是一種優(yōu)良的電子材料。其電阻率非常高，介電常數(shù)低，不會受到氧的影響，比起硅材料本身，氮化硅可耐受多種化學(xué)腐蝕。氮化硅比氧化硅的絕緣性更好，熔點(diǎn)高達(dá)1100?C，是一種非常常用的絕緣層材料，常用于在器件之間以及器件與襯底材料之間提供絕緣。3.金屬材料MEMS中常用的金屬材料主要是鋁、鎢、金、鉑等。鋁是最常用的材料之一。其熔點(diǎn)低，且性能穩(wěn)定。鎢則可在高溫下保持穩(wěn)定。

金屬材料通常采用蒸鍍或?yàn)R射的方法進(jìn)行沉積形成薄膜，一般用作半導(dǎo)體器件之間的低電阻連線。在用于生物化學(xué)量檢測的微傳感器中，金或鉑以其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，成為固定有機(jī)敏感膜的襯底材料。2007在應(yīng)用中需要注意的是，由于尺寸的微變化，金屬材料的機(jī)械性能遠(yuǎn)不同于其普通尺寸下的性能。晶粒結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且受到表面層的影響，許多性質(zhì)目前還無法得到合理的解釋。4.光刻膠

光刻膠是MEMS工藝必不可少的材料。光刻膠是一種有機(jī)材料。一般光刻膠薄膜的厚度為0.5μm左右，近年來出現(xiàn)的SU-8光刻膠則可達(dá)到50μm以上的厚度，可用來制作高深寬比的結(jié)構(gòu)。20073.2微傳感器的常用材料微傳感器材料大致可分為敏感材料和輔助材料兩大類.敏感材料是微傳感器材料的核心,用于制作微傳感器中敏感被測量的敏感單元,如氣敏微傳感器中的氣體敏感膜.敏感材料的品種繁多,性能要求嚴(yán)格.輔助材料是微傳感器不可缺少的組成部分,對輔助材料的選擇與應(yīng)用是否合理將直接影響微傳感器的特性、穩(wěn)定性、可靠性和壽命。半導(dǎo)體敏感材料以半導(dǎo)體硅為代表的半導(dǎo)體材料，是微傳感器的重要敏感材料，在微傳感器的研究與發(fā)展中有著非常重要的位置。近年來，利用超晶格結(jié)構(gòu)制備技術(shù)發(fā)展出的禁帶可控新技術(shù)、能帶工程帶來電子和光子等的特性剪裁技術(shù)、超精細(xì)機(jī)械加工的立體工藝技術(shù)、鍵結(jié)合的封裝技術(shù)、提高使用溫度和擴(kuò)寬應(yīng)用領(lǐng)域的多孔硅、多晶和非晶材料技術(shù)等，為半導(dǎo)體微傳感器帶來了突破性進(jìn)展。2007化學(xué)場效應(yīng)二極管類微傳感器以及其它類型的半導(dǎo)體微傳感器，已經(jīng)在氣敏、離子敏傳感器方面取得了大量的研究成果。隨著基于硅材料的加工技術(shù)的完善，尤其是柵膜材料技術(shù)的提高和立體工藝技術(shù)的深化，半導(dǎo)體微傳感器將成為一類很有希望的智能微傳感器，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化。敏感陶瓷材料在傳感技術(shù)領(lǐng)域，使用陶瓷材料的敏感元件占有重要地位，從現(xiàn)在的品種和數(shù)量上看，比例相當(dāng)大，從開發(fā)新材料、新器件這一角度來看，潛力更大。這主要是因?yàn)槊舾刑沾刹牧暇哂幸韵绿攸c(diǎn)：（1）陶瓷是用無機(jī)粉末作原料，經(jīng)過混合、成形、燒結(jié)等工藝制成的一種材料。通過改變無機(jī)粉末的組成，可以制成性能不同的各種陶瓷敏感材料。此外，陶瓷材料的微結(jié)構(gòu)---晶粒、晶界、氣孔等對材料的性能影響很大，這些微結(jié)構(gòu)受制造工藝的影響，因此，不僅通過改變配方可以改變陶瓷的特性,而且控制工藝也可以改變陶瓷的特性，這就為滿足各種敏感元件的要求帶來了方便。2007（2）由于陶瓷材料是經(jīng)過混合、成形、高溫?zé)Y(jié)等簡單工藝制成的，所以容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時(shí)價(jià)格低廉。（3）陶瓷材料是非金屬無機(jī)質(zhì)固體，不燃燒，耐腐蝕，耐磨損，這些性能都是制造可靠性高的敏感元件所必須的。（4）可通過和其他材料復(fù)合改進(jìn)性能。還可利用陶瓷的多功能性，實(shí)現(xiàn)用單一陶瓷片制成多功能敏感元件。敏感陶瓷材料是采用化學(xué)、物理及熱性能穩(wěn)定的金屬氧化物經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的，具有耐熱、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)良特性，不僅廣泛地用于光、位置、熱、電磁波等多種檢測領(lǐng)域，而且適宜用在條件苛刻的環(huán)境中。20071.基于粒體物性的敏感陶瓷材料

微傳感器中使用的陶瓷材料,最初主要著眼于它的粒體物性，即介電性、磁性及半導(dǎo)體性。陶瓷材料在微傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用可能源自材料科學(xué)技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)的交叉。制造各類電子元器件的介電、鐵電、壓電等陶瓷功能材料，以及IC封裝的裝置瓷等均為絕緣體，保證優(yōu)越的絕緣性是實(shí)現(xiàn)特定功能的基礎(chǔ)。在制造過程中防止材料的半導(dǎo)體化，往往成為提高陶瓷質(zhì)量的重要技術(shù)措施。但反過來，有意地使陶瓷材料半導(dǎo)體化，促使了半導(dǎo)體陶瓷材料（簡稱半導(dǎo)瓷）的發(fā)展，并很快在敏感元件和微傳感器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

半導(dǎo)瓷的半導(dǎo)化機(jī)理，在于陶瓷材料成分中化學(xué)計(jì)量比的偏離或雜質(zhì)缺陷對晶粒的影響，以及施主和受主在晶界形成的界面勢壘，從而使陶瓷體的電導(dǎo)率由10-10S/m提高到10-8~10-5S/m之間。這種半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受外界條件，如溫度、電場、光照、氣氛、濕度的影響可能發(fā)生顯著變化。利用這種敏感特性可制造各種敏感元件和傳感器。其中以電導(dǎo)率特性直接應(yīng)用于敏感電阻器最為成功。即以半導(dǎo)瓷為主的熱敏電阻。20072.濕敏及氣敏陶瓷材料

敏感陶瓷材料在微傳感器方面的另一種應(yīng)用方式是利用粒體的某些特殊性質(zhì)。例如，利用陶瓷上的孔隙，讓水蒸汽或氣體通過這些氣孔，在陶瓷內(nèi)部擴(kuò)散并吸附于粒界表面，將引起界面導(dǎo)電率的變化，從而研制出新型的敏感元件。高分子敏感材料

高分子，也稱聚合物或高聚物，是由成千上萬個(gè)原子通過共價(jià)鍵連接而成的分子量很大（幾萬到幾百萬）的一類分子。高分子材料，顧名思義，便是以高分子化學(xué)物為主要原理，加入各種填料或助劑制成的材料。

高分子材料既包括常見的塑料、橡膠、纖維（三者并稱三大合成材料），也包括人們經(jīng)常使用的涂料、黏合劑，以及功能高分子材料，如離子交換樹脂（用于水凈化）、生物高分子材料（用于人造器官）等。

2007與比較成熟的金屬功能材料、半導(dǎo)體材料和敏感陶瓷材料相比，高分子功能材料屬后起之秀。高分子功能材料能把大多數(shù)非電信號轉(zhuǎn)變成電信號。1.有機(jī)高分子濕敏材料利用有機(jī)高分子材料的自身親水特性，將適量的導(dǎo)電微粒均勻地與其混合，可制成高分子感濕材料。2.有機(jī)高分子氣敏材料有機(jī)高分子材料還可作為氣體微傳感器的敏感材料，具有靈敏度高、選擇性好、能在常溫或較低溫度下使用等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于有機(jī)化合物便于修飾，可以按功能所需進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和合成，因此隨著薄膜技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)高分子氣體微傳感器在敏感材料的成膜工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號檢出等方面都有所突破，成為氣體微傳感器中很重要的一個(gè)分支。20073.有機(jī)高分子壓電材料

高分子壓電材料的發(fā)展為力學(xué)量微傳感器的研制提供了一種新的材料。自1969年河谷川發(fā)現(xiàn)聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電性以來，高分子力學(xué)量微傳感器的研究開發(fā)獲得迅速發(fā)展。磁性材料固體的磁特性與原子中電子的特性有關(guān)。

磁性材料可被用作將磁通量限定在確定的體積范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)元件。此外，在微傳感器中，可用于檢測一些磁參量，此時(shí)被檢測的磁參量能改變另一些物理特性，如磁敏電阻的電導(dǎo)率，還可用于檢測能改變磁性的一些物理量，如溫度和機(jī)械應(yīng)力等。微傳感器的封裝2007金屬應(yīng)變片式傳感器金屬絲式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片壓阻式傳感器壓阻效應(yīng)晶向、晶面的表示方法壓阻系數(shù)固態(tài)壓阻傳感器

應(yīng)變式傳感器優(yōu)點(diǎn)：①精度高，測量范圍廣

②頻率響應(yīng)特性較好

③結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕④可在高(低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動、強(qiáng)磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作⑤易于實(shí)現(xiàn)小型化、固態(tài)化⑥價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇一、

金屬應(yīng)變片式傳感器

金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。缺點(diǎn)：具有非線性，輸出信號微弱，抗干擾能力較差，因此信號線需要采取屏蔽措施；只能測量一點(diǎn)或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。(一)金屬絲式應(yīng)變片1、應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一根長度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為兩邊取對數(shù)，得等式兩邊取微分，得

——電阻的相對變化；——電阻率的相對變化；

——金屬絲長度相對變化，用ε表示，ε=稱為金屬絲長度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變；——截面積的相對變化。dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應(yīng)變?yōu)棣舝。S=πr2dS/S=2·dr/rεr=–με由材料力學(xué)知將微分dR、dρ改寫成增量ΔR、Δρ，則金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。物理意義：單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。KS由兩部分組成：前一部分是（1+2μ），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分為，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對金屬材料，以前者為主，則KS≈1+2μ；對半導(dǎo)體，KS值主要由電阻率相對變化所決定。實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比。通常KS在1.8～3.6范圍內(nèi)。2341電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖bl2、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料

由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。（1）敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。柵長柵寬（2）基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。（3）引線

是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。（4）粘結(jié)劑

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。

3、主要特性（1）靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測得的。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。

絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε（2）橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變εr也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了ε起作用外)，應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。圖為應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)棣?，沿橫向應(yīng)變?yōu)棣舝

。

若敏感柵有n根縱柵，每根長為l，半徑為r，在軸向應(yīng)變ε作用下，全部縱柵的變形視為ΔL1半圓弧橫柵同時(shí)受到ε和εr的作用，在任一微小段長度dl=rdθ上的應(yīng)變εθ可由材料力學(xué)公式求得

每個(gè)圓弧形橫柵的變形量Δl為縱柵為n根的應(yīng)變片共有n-1個(gè)半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為ΔL1=nlε應(yīng)變片敏感柵的總變形為敏感柵柵絲的總長為L，敏感柵的靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對變化為令

則

可見，敏感柵電阻的相對變化分別是ε和εr作用的結(jié)果。當(dāng)εr=0時(shí)，可得軸向靈敏度系數(shù)同樣，當(dāng)ε=0時(shí)，可得橫向靈敏度系數(shù)橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H。即

由上式可見，r愈小，l愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長越長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。（3）機(jī)械滯后

應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。ΔεΔε1機(jī)械應(yīng)變ε卸載加載指示應(yīng)變εi應(yīng)變片的機(jī)械滯后

機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。（4）零點(diǎn)漂移和蠕變

對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長時(shí)間測量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。（5）應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變。εlim真實(shí)應(yīng)變εz指示應(yīng)變εi應(yīng)變片的應(yīng)變極限±10%1主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過大，并應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓袒幚?，才能獲得較高的應(yīng)變極限。（6）動態(tài)特性當(dāng)被測應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2μs)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動態(tài)響應(yīng)。設(shè)一頻率為f的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度v沿應(yīng)變片柵長方向傳播，在某一瞬時(shí)t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。應(yīng)變片對應(yīng)變波的動態(tài)響應(yīng)ε0應(yīng)變片ε1lx1λεx

設(shè)應(yīng)變波波長為λ，則有λ=v/f。應(yīng)變片柵長為L，瞬時(shí)t時(shí)應(yīng)變波沿構(gòu)件分布為

應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)閤t為t瞬時(shí)應(yīng)變片中點(diǎn)的坐標(biāo)。應(yīng)變片測得的應(yīng)變?yōu)闁砰Ll范圍內(nèi)的平均應(yīng)變εm，其數(shù)值等于l范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以l，即平均應(yīng)變εm與中點(diǎn)應(yīng)變εt相對誤差δ為δ（%）1.620.52誤差δ的計(jì)算結(jié)果

1/201/10由上式可見，相對誤差δ的大小只決定于的比值，表中給出了為1/10和1/20時(shí)δ的數(shù)值。由表可知，應(yīng)變片柵長與正弦應(yīng)變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈小。當(dāng)選中的應(yīng)變片柵長為應(yīng)變波長的（1/10~1/20）時(shí)，δ將小于2%。因?yàn)槭街笑浴獞?yīng)變波在試件中的傳播速度；f——應(yīng)變片的可測頻率。取，則若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，由上式可計(jì)算出柵長為L的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應(yīng)變最高頻率。

4、

溫度誤差及其補(bǔ)償（1）溫度誤差

用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。

設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為αt

，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為

由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，其值為

βe—試件材料線膨脹系數(shù)；βg—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。

相應(yīng)的電阻相對變化為K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)。溫度變化形成的總電阻相對變化：

相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化Δt時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出?？梢?，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(αt,βg)有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(βe)有關(guān)。

金屬箔式應(yīng)變片（二）

金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度—般為(0.003～0.010)mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.03～0.05)mm。金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下特點(diǎn)。①金屬箔柵很薄，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近。其次，當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同工作。第三，箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測量的精度。②箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大電流，因而可以輸出較大信號，提高了測量靈敏度。③箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。④便于成批生產(chǎn)。⑤缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十Ω，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測量；此外價(jià)格較貴。二、壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等。（一）

壓阻效應(yīng)

單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。對半導(dǎo)體材料對金屬材料電阻相對變化量由于πE一般都比（1+2μ）大幾十倍甚至上百倍，因此引起半導(dǎo)體材料電阻相對變化的主要原因是壓阻效應(yīng)，所以上式可近似寫成

式中π——壓阻系數(shù)；E——彈性模量；

σ——應(yīng)力；ε——應(yīng)變。上式表明壓阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣。而取向是用晶向表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向。

CZOBAXY11晶體晶面的截距表示（二）

晶向、晶面的表示方法結(jié)晶體是具有多面體形態(tài)的固體，由分子、原子或離子有規(guī)則排列而成。這種多面體的表面由稱為晶面的許多平面圍合而成。晶面與晶面相交的直線稱為晶棱，晶棱的交點(diǎn)稱為晶體的頂點(diǎn)。為了說明晶格點(diǎn)陣的配置和確定晶面的位置，通常引進(jìn)一組對稱軸線，稱為晶軸，用X、Y、Z表示。

硅為立方晶體結(jié)構(gòu)，就取立方晶體的三個(gè)相鄰邊為X、Y、Z。在晶軸X、Y、Z上取與所有晶軸相交的某晶面為單位晶面，如圖5.1-19所示。此晶面與坐標(biāo)軸上的截距為OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z軸上的截距為OAx、OBy、OCz，它們與單位晶面在坐標(biāo)軸截距的比可寫成

式中，p、q、r為沒有公約數(shù)(1除外)的簡單整數(shù)。為了方便取其倒數(shù)得式中，h、k、l也為沒有公約數(shù)（1除外）的簡單整數(shù)。依據(jù)上述關(guān)系式，可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三個(gè)簡單整數(shù)h、k、l來表示。h、k、l稱為密勒指數(shù)。

而晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關(guān)的規(guī)定，晶面符號為(hkl)，晶面全集符號為{hkl}，晶向符號為[hkl]，晶向全集符號為〈hkl〉。晶面所截的線段對于X軸，O點(diǎn)之前為正，O點(diǎn)之后為負(fù)；對于Y軸，O點(diǎn)右邊為正，O點(diǎn)左邊為負(fù)；對于Z軸，在O點(diǎn)之上為正，O點(diǎn)之下為負(fù)。

依據(jù)上述規(guī)定的晶體符號的表示方法，可用來分析立方晶體中的晶面、晶向。在立方晶體中，所有的原子可看成是分布在與上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在與兩側(cè)晶面相平行的一簇晶面上，要區(qū)分這不同的晶面，需采用密勒指數(shù)來對晶面進(jìn)行標(biāo)記。晶面若在X、Y、Z軸上截取單位截距時(shí)，密勒指數(shù)就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶體全集分別表示為(111)、[111]、{111}、〈111〉。若晶面與任一晶軸平行，則晶面符號中相對于此軸的指數(shù)等于零，因此與X軸相交而平行于其余兩軸的晶面用(100)表示，其晶向?yàn)閇100]；與Y軸相交面平行于其余兩軸的晶面為(010)，其晶向?yàn)閇010]；與Z軸相交而平行于X、Y軸的晶面為(001)，晶向?yàn)閇001]。同理，與X、Y軸相交而平行于Z軸的晶面為(110)，其晶向?yàn)閇110]；其余類推。硅立方晶體內(nèi)幾種不同晶向及符號如圖。(110)[110][100](100)(111)[111][001][100][010][110][100][001]ZYX單晶硅內(nèi)集中不同晶向與晶面（b）（a）

對于同一單晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅單晶中，(111)晶面上的原子密度最大，(100)晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同，所表現(xiàn)出的性質(zhì)也不同，如(111)晶面的化學(xué)腐蝕速率為各向同性，而(100)晶面上的化學(xué)腐蝕速率為各向異性。

單晶硅是各向異性的材料，取向不同，則壓阻效應(yīng)也不同。硅壓阻傳感器的芯片，就是選擇壓阻效應(yīng)最大的晶向來布置電阻條的。同時(shí)利用硅晶體各向異性、腐蝕速率不同的特性，采用腐蝕工藝來制造硅杯形的壓阻芯片。（三）壓阻系數(shù)1、壓阻系數(shù)的定義半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化，而電阻率的相對變化與應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)就是壓阻系數(shù)。即單晶硅的壓阻系數(shù)矩陣為（100）晶面上的壓阻系數(shù)曲線

2007單晶硅壓阻系數(shù)：當(dāng)單晶硅受到一定的應(yīng)力時(shí)，其電阻率隨應(yīng)力變化具有線性關(guān)系。壓阻效應(yīng)的各向異性：半導(dǎo)體壓力傳感器一般常選用（001）、（011）、（211）三個(gè)晶面，因?yàn)樵谶@三個(gè)晶面上都具有某一個(gè)或幾個(gè)晶向上壓阻系數(shù)較大的特點(diǎn)。20072007

多向應(yīng)力作用在單晶硅上，由于壓阻效應(yīng)，硅晶體的的電阻率變化，引起電阻的變化，其相對變化dR/R與應(yīng)力的關(guān)系如下式。在正交坐標(biāo)系中，坐標(biāo)軸與晶軸一致時(shí)，有

式中σl——縱向應(yīng)力；σt——橫向應(yīng)力；

σs——與σl、σt垂直方向上的應(yīng)力；

πl(wèi)、πt、πs——分別為σl、σt、σs相對應(yīng)的壓阻系數(shù)，πl(wèi)表示應(yīng)力作用方向與通過壓阻元件電流方向一致時(shí)的壓阻系數(shù)，πt表示應(yīng)力作用方向與通過壓阻元件電流方向垂直時(shí)的壓阻系數(shù)。

當(dāng)坐標(biāo)軸與晶軸方向有偏離時(shí)，再考慮到πsσs，一般擴(kuò)散深度為數(shù)微米，垂直應(yīng)力較小可以忽略。因此電阻的相對變化量可由下式計(jì)算

（5.1-56）式中πl(wèi)、πt值可由縱向壓阻系數(shù)π11、橫向壓阻系數(shù)π12、剪切壓阻系數(shù)π44的代數(shù)式計(jì)算，即

（5.1-57）（5.1-58）式中l(wèi)1、m1、n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦；l2、m2、n2——橫向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦；π11、π12、π44——單晶硅獨(dú)立的三個(gè)壓阻系數(shù)，它們由實(shí)測獲得數(shù)據(jù)，在室溫下，其數(shù)值見表5.1-3。表5.1-3π11、π12、π55的數(shù)值（×10-11m2/N）晶體導(dǎo)電類型電阻率π11π12π44SiP7.8+6.6-1.1+138.1SiN11.7-102.2-53.5-13.6

從上表中可以看出，對于P型硅，π44遠(yuǎn)大于π11和π12，因而計(jì)算時(shí)只取π44；對于N型硅，π44較小，π11最大，π12≈π11/2

，因而計(jì)算時(shí)只取π11和π12。

2、影響壓阻系數(shù)的因素

影響壓阻系數(shù)因素：擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。擴(kuò)散雜質(zhì)濃度NS增加時(shí)，壓阻系數(shù)就會減小。壓阻系數(shù)與擴(kuò)散電阻表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系如圖。120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度NS/cm-3P型Si(π44)N型Si(-π11)

π11或π44/

×10-11m2/NT=24℃壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加，壓阻系數(shù)下降得快；表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，溫度增加，壓阻系數(shù)下降得慢，如圖。為了降低溫度影響，擴(kuò)散電阻表面雜質(zhì)濃度高些較好，但擴(kuò)散表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，壓阻系數(shù)要降低。N型硅的電阻率不能太低，否則，擴(kuò)散P型硅與襯底N型硅之間，PN結(jié)的擊穿電壓就要降低，而使絕緣電阻降低。因此，采用多大表面雜質(zhì)濃度進(jìn)行擴(kuò)散為宜，需全面考慮

是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

第四節(jié)

壓電式傳感器

一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（一）石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

(b)(a)++---YXXY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+

當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時(shí)，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時(shí)，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當(dāng)FY＞0時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)FY＜0時(shí)，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機(jī)械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－

當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。

晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力σXX作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力σXX成正比，即ZYXbl石英晶體切片t式中FX——X軸方向的電場強(qiáng)度；

d11——壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶體d11=2.3×10-12CN-1；

l、b——石英晶片的長度和寬度。極化強(qiáng)度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即

式中

qX——垂直于X軸平面上的電荷。將上兩式整理，得

式中——電極面間電容。其極間電壓為根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即

或用應(yīng)變表示，則式中EX——X軸方向上的電場強(qiáng)度。在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。

FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XXΔt=d11UX

如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時(shí)電荷的大小為

++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX式中d12——石英晶體在Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=－d12，則上式為式中t——晶片厚度。則其極間電壓為

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示由上述可知：①無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。

（二）

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（a）。

直流電場E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測量時(shí)，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖

如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋

同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ

由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。二、壓電材料種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。對壓電材料特性要求：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。③電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。④環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。

（一）

石英晶體

石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。由圖可見，在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500