压阻式压力传感器

第二节压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。1.基本工作原理根据式（2－3）式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为(2－22)式中为沿某晶向的压阻系数，σ为应力，为半导体材料的弹性模量。如半导体硅材料，,，则，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数(1＋2μ)大很多。可近似认为。半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。所谓晶向，就是晶面的法线方向。晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。1．截距法设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z，如图2－29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t(2－23)1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈abc〉，某数（如a）为负数则记作〈bc〉。例如图2－30(a)，截距为－2、－2、4，截距倒数为－、－、，密勒指数为〈1〉。图2－30(b)截距为1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为〈111〉。图2－30(c)中ABCD面，截距分别为1、∞、∞，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为〈100〉。2．法线法如图2－29所示，通过坐标原点O，作平面的法线OP，与x、y、z轴的夹角分别为α、β、γ。(2－24)cosα、cosβ、cosγ为法线的方向余弦，如果法线p的大小与方向已知，则该平面就是确定的。如果只知道p的方向，而不知道大小，则该平面的方位是确定的。若通过p在x、y、z坐标系中作长方形，与x、y、z的交点分别为L、M、N。方向余弦也可用l、m、n来表示，其中，，。对同一个平面，则可由（2－23）式或（2－24）式表示，则由（2－24）得(2－25)比较式（2－23）与式（2－25）则有可见，用密勒指数或用方向余弦皆可表示晶向。为了求取任意晶向的压阻系数，必须先了解晶轴坐标系内各向压阻系数。如果将半导体材料沿三个晶轴方向取一微单元，如图2－31所示。当受有作用力，微单元上的应力分量应有9个，只是剪切应力总是两两相等，即，，。因此应力分量中仅有6个独立分量。即、、、、、。有应力就会产生电阻率变化，6个独立应力分量可在6个相应方向产生6个独立电阻率变化，若电阻率变化用符号表示，则相应为、、、、、，电阻率的变化率与应力之间的关系是由压阻系数表征，则可列成下表根据上表，可写出下列矩阵方程矩阵中的压阻系数有如下特点：1．剪切应力不可能产生正向压阻效应，矩阵中右上块内各分量应为零，即；2．正向应力不可能产生剪切压阻效应，矩阵中左下块内各分量应为零，即；3．剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应，因此只剩下、、三项。而其余。4．单晶硅是正立方晶体，考虑到正立方体的对称性，则正向压阻效应应相等，故；横向压阻效应应相等，故；剪切压阻效应应相等，故。因此压阻系数的矩阵为(2－26)由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有、、三个，称为纵向压阻系数；称为横向压阻系数；称为剪切压阻系数。必须强调的是，上列矩阵是相对晶轴坐标系推导得出的，因此、、是相对三个晶轴方向而言的三个独立分量。当电阻方向不在晶轴方向时，或应力不在晶轴方向时，压阻张量要从一个坐标系变换到晶体主轴坐标系。计算较复杂，这里不进行讨论。当硅膜比较薄时，可以略去沿硅膜厚度方向应力，三维向量就简化成了一个二维向量，任何一个膜上的电阻在应力作用下的电阻相对变化为：(2–27)式中——纵向压阻系数——横向压阻系数——纵向应力——横向应力3.温度误差及其补偿由于半导体材料对温度比较敏感，压阻式传感器的电阻值及灵敏系数随温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移。图2－32所示在不同杂质浓度下，P型硅的压阻系数与温度的关系。掺杂浓度较低时，压阻系数较高，而它的温度系数也较大，反之，掺杂浓度高时，它的温度系数可以很小，但压阻灵敏度系数太低。一般不采用高掺杂的办法来降低温度误差。压阻式传感器一般扩散四个电阻，并接入电桥。当四个扩散电阻阻值相等或相差不大，温度系数也一样，则电桥零漂和灵敏度漂移会很小，但工艺上很难实现。零位温漂一般可用串、并联电阻的方法进行补偿。如图2－33所示，串联电阻Rs起调零作用，并联电阻RP则主要起补偿作用，RP是负温度系数电阻，当然R4上并联正温度系数电阻也可以。Rs、RP值和温度系数要选择合适。要根据四臂电桥在低温和高温下实测电阻值计算出来，才能取得较好的补偿效果。电桥的电源回路中串联的二极管是补偿灵敏度温漂的。二极管的PN结压降为负温度特性，温度每升高1℃，正向压降减小1.9～2.4mV。若电源采用恒压源，电桥电压随温度升高而提高，以补偿灵敏度下降。所串联二极管数，依实测结果而定。4.压阻式传感器举例１.半导体应变式传感器这种传感器常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，如图2－30所示：其使用方法与金属应变片相同。因为式中（1＋2μ）项是半导体材料几何尺寸变化引起的，与一般电阻丝式相差不多，而项是压阻效应引起的，其值比前者大近百倍，故（1＋2μ）项可忽略，因此半导体应变片的灵敏系数近似为。半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大，可测微小应变，尺寸小，横向效应和机械滞后也小。主要缺点是温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必须采取补偿措施。此外，灵敏系数随拉伸或压缩而变，且分散性大。2.压阻式压力传感器压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。结构如图2－31(a)所示，其核心部分是一块沿某晶向(如〈10〉)切割的N型的圆形硅膜片（见图2－35(b)）。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力P作用下，膜片产生应力和应变。膜片上各点的应力分布由式（2－20）和式（2－21）给出。当时，径向应力为零值。四个电阻沿〈110〉晶向并分别在x=0.635r处的内外排列，在0.635r之内侧的电阻承受的为正值，即拉应力（见图2－25(b)），外侧的电阻承受的是负值，即压应力。由于〈110〉晶向的横向为〈001〉，因此，，代入式（2－29）内外电阻的相对变化为式中、——内、外电阻上所承受径向应力的平均值。设计时，要正确地选择电阻的径向位置，使,因而使。使四个电阻接入差动电桥，初始状态平衡，受力P后，差动电桥输出与P相对应。为了保证较好的测量线性度，要控制膜片边缘处径向应变。而膜片厚度为h≥式中——;膜片边缘允许的最大径向应变。压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。固有频率可按下式计算式中——硅片的密度（kg/m2）压阻式压力传感器广泛用于流体压力、差压、液位等的测量。特别是它的体积小，最小的传感器可为0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。3.压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器采用单晶硅作悬臂梁，在其近根部扩散四个电阻，见图2－33。当梁的自由端的质量块受到加速度作用时，在梁上受到弯矩和应力，使电阻值发生变化。电阻相对变化与加速度成正比。由四个电阻组成的电桥将产生与加速度成正比例电压输出。为了保证传感器输出有较好的线性度，悬臂梁根部的应变不应超过400～500，可由下式计算式中m—质量块质量l—梁长度b—梁宽度h—梁高度压阻式加速度传感器测量振动加速度时，固有频率应按下式计算在设计时，恰当地选择传感器尺寸及阻尼系数，则可用来测量低频加速度与直线加速度。