2014(压阻-第3讲)

MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007第三讲1．力学量传感器力学量包括以下三类：①几何学量，如位移、形变、长度、距离、位置、尺寸（长、宽、高）、厚度、深度等有长度量纲的量，以及角度、角位移等有角度量纲的量；②运动学量，如速度、加速度、角加速度，是几何学量的时间函数；③力学量，指质量、力、力矩、应力、压力等狭义的力学量。这些物理量的测量都与机械应力有关，所以把测量这些物理量的器件统称为力学量传感器，也称力敏传感器。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压力传感器是一种出现较早、应用十分广泛的传感器。其中发展最快且越来越重要的是半导体力敏传感器。1954年发现半导体的压阻效应，两年后，用硅材料制作的压力传感器问世。60年代末出现了扩散型半导体压力传感器。70年代发展成固态压阻型压力传感器，这种结构形式将传感器技术与最先进的半导体集成电路工艺结合起来，成为传感器制作技术上的一次重大突破。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压力是测控领域中最重要的测量参数之一。为测量压力信号，各种压力传感器应运而生。近年来微机械加工技术的发展，推动了压力传感器由传统的结构型向固态化的转变。半导体固态传感器由于体积小、重量轻、性能优异、成本低、易于实现多功能化和集成化等优点，在国防和民用领域得到了广泛的应用。目前，人们已经开发出多种类型的硅压力传感器。作为最先进入市场的MEMS器件，硅压力传感器已成为MEMS传感器市场中所占份额最大的品种，其技术进步将对MEMS传感器的应用领域产生巨大的影响。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝对压力(2)大气压力(3)表压力(4)真空度(负压)(5)差压(压差)MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007图各种压力之间的关系这几种表示法的关系如图所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压力的计量单位压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007随着压力传感器应用范围逐渐扩大，对其应用条件的要求也越来越苛刻。如航空、航天、汽车用发动机的压力测量，石油化工高温环境下的压力监测等，对300℃以上高温压力传感器都有迫切的需要。传统的单晶硅扩散压阻式压力传感器由于存在p-n结隔离问题，无法工作在200℃以上温度范围。耐高温研究是硅压力传感器研究的一个主攻方向。此外压阻式高温压力传感器的温度漂移严重影响传感器的性能，实际应用时需准确测量传感器的芯片温度，对传感器进行温度补偿。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007可靠性是微机械传感器、微系统应用的关键问题，尤其在军事、医疗等应用领域中压力传感器的可靠性至关重要。然而在实际的应用中，由于许多压力传感器工作在特殊的位置，对其工作状态很难进行有效的检测。例如生物研究或医学临床上可能把传感器植入生物体内，进行长期连续的监测。在种情况下，一般的压力传感器因无法实现在线自检测，又不允许经常把传感器拿到专门的检测设备中测试。在长期的工作中，传感器输出数据的可信度就无法得到保证。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。图压阻式压力传感器MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压力传感器。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007压阻效应：对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压阻效应。(硅、砷化镓半导体材料的导带都是多个极值，由于受应力作用，晶格间距发生变化，导带极值发生移动，导致禁带宽度的变化；同时能谷发生转移，使载流子的填充水平发生变化，由于不同能谷的载流子迁移率不相同，故引起电阻率的改变，此种现象即为压阻效应。)压阻效应是力学量传感器重要的理论基础之一。利用压阻效应可以制成压力传感器、加速度传感器、差压传感器、半导体应变片等多种力学量传感器。半导体压阻效应一个很重要的特点是效应的各向异性。表征半导体压阻效应的重要参量是压阻系数。(p65-p67)压阻效应的各向异性：p67-p682．半导体的压阻效应和压电效应MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。（一）压阻效应单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。21dRdR21RdREd2121ERdR对半导体材料对金属材料电阻相对变化量MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,ChinaERdR由于πE一般都比（1+2μ）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成式中π——压阻系数；E——弹性模量；σ——应力；ε——应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China(110)[110][100](100)(111)[111][001][100][010][110][100][001]ZYX单晶硅内集中不同晶向与晶面（b）（a）MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中，(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，所表现出的性质也不同，如(111)晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(100)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅杯形的压阻芯片。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007（100）晶面上的压阻系数曲线MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2007MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,ChinaMEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China（三）压阻系数1、压阻系数的定义半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。即单晶硅的压阻系数矩阵为Edd444444111212121112121211000000000000000000000000MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China多向应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻率变化，引起电阻的变化，其相对变化dR/R与应力的关系如下式。在正交坐标系中，坐标轴与晶轴一致时，有式中σl——纵向应力；σt——横向应力；σs——与σl、σt垂直方向上的应力；πl、πt、πs——分别为σl、σt、σs相对应的压阻系数，πl表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向一致时的压阻系数，πt表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向垂直时的压阻系数。ssttllRdRMEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China当坐标轴与晶轴方向有偏离时，再考虑到πsσs，一般扩散深度为数微米，垂直应力较小可以忽略。因此电阻的相对变化量可由下式计算（5.1-56）式中πl、πt值可由纵向压阻系数π11、横向压阻系数π12、剪切压阻系数π44的代数式计算，即（5.1-57）（5.1-58）式中l1、m1、n1——压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦；l2、m2、n2——横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；π11、π12、π44——单晶硅独立的三个压阻系数，它们由实测获得数据，在室温下，其数值见表5.1-3。ttllRdR212121212121441211112nmnlmll22212221222144121112nnmmlltMEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China表5.1-3π11、π12、π55的数值（×10-11m2/N）晶体导电类型电阻率π11π12π44SiP7.8+6.6-1.1+138.1SiN11.7-102.2-53.5-13.6从上表中可以看出，对于P型硅，π44远大于π11和π12，因而计算时只取π44；对于N型硅，π44较小，π11最大，π12≈π11/2，因而计算时只取π11和π12。MEMSCenter,HarbinInstituteofTechnologyHarbin,150001,China2、影响压阻系数的因素影响压阻系数因素：扩散电阻的表面杂质浓度和温度。扩