第13章压阻传感器

§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集成压阻式传感器第十三章压阻式传感器2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3§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。4硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各种半导体器件中。硅有很好的机械特性。例如，硅单晶的断裂强度比不锈钢高；弹性模量与不锈钢接近；其强度、硬度和杨氏模量与铁相当；密度类似铝；热传导率与钼和钨接近；谐振频率高、工作频带宽，响应时间短，敏感区间小，空间解析度提高。硅还具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。硅既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便于实现机电器件的集成化。硅成为一种重要的微机电系统材料，可作为微传感器、微执行器的基本材料。5slRRlsRls2(12)RllRll材料阻值变化：6引入：（：为压阻系数）100~50EKsmmsKKK100~50122mK(12)RR对金属材料：(12)mRKR对半导体材料：sREKR7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、恒温使用由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高，加之计算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/℃数量级,即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。8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最新一代传感器。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。9一、晶面表示方法1xyzrst截距式：coscoscosxyzp法线式：zxyrstp10密勒指数：coscoscos1xyzppptsr1:1:1cos:cos:coslkhtsr::1:1:1取h,k,l：称为密勒指数11表示方式：lkh,,lkh,,lkh,,对立方晶系（x=y=z,x⊥y⊥z),面指数为（h,k,l)的晶面与密勒指数为h,k,l的晶向彼此垂直表示晶面表示晶向表示晶面族12例：1,1,11,1,11,1,1晶向、晶面、晶面族分别为：1,2,21,2,21,2,2晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-213例：0,0,1xyz1,0,00,1,014判断两晶面垂直两晶向Ah1,k1,l1与Bh2,k2,l2:212121llkkhhBA垂直0212121llkkhhBA不垂直0212121llkkhhBA15判断或求出与两晶向都垂直的第三晶向yxyxzxzxzyzyzyxzyxbbaakbbaajbbaaibbbaaakjiCBA两晶向Aax,ay,az与Bbx,by,bz:16§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？17§13.3、压阻系数一、单晶硅的压阻系数312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ13654321,,,,,654321,,,,,六个独立的应力分量：六个独立的电阻率的变化率：18电阻率的变化与应力分量之间的关系:65432166656463626156555453525146454443424136353433323126252423222116151413121165432119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11121212111212121144444400000000000000000000000020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、，晶体导电类型电阻率（Ω.m)π11π12π44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6压阻系数（×10-11m2/N）21pQ二、任意方向（P方向）电阻变化σ//σ⊥123IRRσ∥：纵向应力σ⊥：横向应力π∥：纵向压阻系数π⊥:横向压阻系数22将各个压阻系数向P、Q方向投影:))((221212121212144121111//nlnmml))((22212221222144121112nnmmll已知：(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦23关于方向余弦cos222zyxxlcos222zyxzncos222zyxym某晶向x,y,z(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：24例1：计算（100）晶面内〈011〉晶向的纵向与横向压阻系数（100）晶面内〈011〉晶向的横向为〈011〉晶向yxz2501l21111221m21111221n02l211)1(1222m211)1(1222n设〈011〉与〈011〉晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2)(212121)(244121144121111//)(21)21212121)((44121144121112261112//444401122P对型硅：441211//111110,21144N对型硅：27例2：计算（110）晶面内〈110〉晶向的纵向与横向压阻系数（110）晶面内晶向的一般形式为〈hkl〉,则：0011lkhkhlhh一般形式为：取（110）晶面内〈110〉晶向的横向为〈001〉28设〈110〉与〈001〉晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n201n21)1(11221l21)1(11221m02l02m12n29)(212121)(244121144121111//12441211120)(02144//型硅：对P1111//2141型硅：对N30例3：作出P型硅（100）晶面内纵向与横向压阻系数分布图（100）晶面内晶向的一般形式为〈hkl〉,则：0001lkh0hkl0一般形式为：31设P与Q的方向余弦为：l1、m1、n1和l2、m2、n2sin1n01lcos1m02lsin2mcos2n123αPQ322sin212sin)(21244244121111//2sin212sin)(21244244121112333201001001101100100101101134表面杂质浓度Ns（1/cm3)π11或π44三、影响压阻系数大小的因素1、压阻系数与杂质浓度的关系扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小P型Si（π44)N型Si（π11)35解释：en1n：载流子浓度e：载流子所带电荷μ：载流子迁移率ρ：电阻率Ns↑→杂质原子数多→载流子多→n↑→ρ↓杂质浓度Ns↑→n↑→在应力作用下ρ的变化更小△ρ↓→△ρ/ρ↓36温度Tπ442、压阻系数与温度的关系表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢Ns小Ns大T↑→载流子获得的动能↑→运动乱→μ↓→ρ↑↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大，μ变化较小→π变化小Ns小，μ变化大→π变化大解释：37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38实物结构39§13.4、压阻式传感器一、（膜片式）压阻式压力传感器40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4321RRRR4321RRRR41低压腔硅杯硅膜片高压腔引线R1R2R4R3R2R1R3R4423434124213121334421213一、（膜片式）压阻式压力传感器4243圆硅膜片的应力分析ahσrσt44二、任意方向（P方向）电阻变化pQσ//σ⊥123IRRσ∥：纵向应力σ⊥：横向应力π∥：纵向压阻系数π⊥:横向压阻系数))((221212121212144121111//nlnmml))((22212221222144121112nnmmll(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦45关于方向余弦cos222zyxxlcos222zyxzncos222zyxym某晶向x,y,z(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：46膜片应力分析σr/