第8章-压阻式传感器

第八章压阻式传感器•1半导体的压阻效应•2压阻式压力传感器原理和电路•(1)体型半导体应变片•(2)扩散型压阻式压力传感器•(3)测量桥路及温度补偿•3压阻式传感器的应用下一页返回1半导体的压阻效应固体受到作用力后，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压阻效应特别强。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、加速度和载荷等参数。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。上一页返回下一页利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传感器。一、压阻效应及压阻系数压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。压阻式压力传感器4压阻式传感器的特点灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高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:能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。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，使用带宽可以从静态至100千赫兹。温度误差大:须温度补偿、或恒温使用。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的应变式传感器的水平。压阻效应金属材料半导体材料lllEl＝半导体电阻率πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。上一页返回下一页(12)RR(12)lRER6参考知识：晶向的表示方法1)半导体单晶硅是各向异性材料;2)硅是立方晶体，按晶轴建立座标系;3)晶面：原子或离子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：晶面的法线方向.X(1)Y(2)Z(3)7晶面表示方法1tzsyrxpzyxcoscoscoszxyrstp截距式：法线式：r,s,t－x,y,z轴的截距cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦法线长度8密勒指数lkhtsr::1:1:1取三个没有公约数的整数密勒指数密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）1coscoscospzpypx1tzsyrxtsr1:1:1cos:cos:cos9表示方式lkh,,lkh,,lkh,,•表示晶面•表示晶向•表示晶面族对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l)晶面的法线方向；{h,k,l}晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。10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：xy111zzxy4-2-211例：（特殊情况）0,0,1xyz1,0,00,1,0对半导体材料而言，πlE(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略llERR半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的变化是由应变引起的半导体单晶的应变灵敏系数可表示ERRKl/半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小上一页返回下一页13压阻系数一、单晶硅的压阻系数312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ1314材料阻值变化E＝654321,,,,,654321,,,,,•六个独立的应力分量：•六个独立的电阻率的变化率：广义：15令：654321,,,,,•六个独立的应力分量：•六个独立的电阻率的变化率：111222333正应力32234剪应力133152112616电阻率的变化与应力分量之间的关系65432166656463626156555453525146454443424136353433323126252423222116151413121165432117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、压阻系数与表面杂质浓度的关系•扩散杂质浓度增加，压阻系数减小P型Si（π44)N型Si（π11)18解释：en1•ρ：电阻率•n：载流子浓度•e：载流子所带电荷•μ：载流子迁移率•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↓的变化率减小压阻系数减小19温度Tπ442、压阻系数与温度的关系•温度升高时，压阻系数减小；•表面杂质浓度增加时，温度对压阻系数的影响变小（下降速度变慢）。Ns小Ns大20解释：•T↑→载流子获得的动能↑→运动紊乱程度↑→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21载流子浓度影响总结Ns比较大时：a.π受温度影响小c.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b.Ns↑→π↓→灵敏度↓结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应用条件适当选择载流子的浓度。22压阻效应的原因:应力作用晶格变形能带结构变化载流子浓度和迁移率变化2压阻式压力传感器原理和电路•(1)体型半导体应变片•(2)扩散型压阻式压力传感器•(3)测量桥路及温度补偿24参考知识：敏感元件加工技术1.薄膜技术薄膜技术是在一定的基底上,用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件,也可加工为转换元件,有的可作为绝缘膜,有的可用作控制尺寸的牺牲层,在传感器的研制中得到了广泛应用。251234在真空室内,将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器上加热,当真空度抽到0.0133Pa以上时,加大钨丝的加热电流,使材料融化,继续加大电流使材料蒸发,在基底上凝聚成膜。如图所示。真空蒸镀图中,1—真空室,2—基底,3—钨丝,4—接高真空泵。26在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上）使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使靶材的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜,如图所示。溅射3125476＋－图中,1—靶,2—阴极,3—直流高压,4—阳极,5—基片,6—惰性气体入口,7—接真空系统。2723718465化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜,如图所示。化学气相淀积（CVD）图中,1—反应气体A入口,2—分子筛,3—混合器,4—加热器,5—反应室,6—基片,7—阀门,8—反应气体B入口282、微细加工技术微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、制作复杂微小的敏感元件的技术。1)体型结构腐蚀加工体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和离子刻蚀（干法）技术（采用惰性气体）。2)表面腐蚀加工——牺牲层技术该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种悬式结构。29(2)光刻和腐蚀氧化层(b)热生成硅氧化膜单晶硅(100)面基片(1)氧化的硅基片(a)光敏胶(3)各向异性腐蚀硅(c)(111)硅平面54.74°1）如图(a)、(b)所示,先在单晶硅的（100）晶面生长一层氧化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸入氢氟酸中,进行氧化层腐蚀；2）将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺＋邻苯二酚＋水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（111）面,与（100）表面的夹角为54.74°,如图(c)所示。单晶硅立体结构的腐蚀加工过程30N-Si[100]Si3N4SiO2PoLy-SiAl空气腔(a)(b)(c)(d)利用该工艺制造多晶硅梁的过程：1）在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的绝缘支撑,并刻出窗口,如图(a)所示。利用局部氧化技术在窗口处生成一层SiO2作为牺牲层,如图(b)所示；2）在SiO2层及余下的Si3N4上生成一层多晶硅膜（PoLy-Si)并刻出微型硅梁,如图(c)所示。腐蚀掉SiO2层形成空腔,即可得到桥式硅梁,如图(d)所示。另外,在腐蚀SiO2层前先溅铝,刻出铝压焊块,以便引线。表面腐蚀加工——牺牲层技术形成硅梁过程31膜片(a)悬臂梁(b)桥(c)支承膜(d)(e)硬中心图(a)为方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容式传感器。图(b)为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图(c)为桥式结构,图(d)为支撑膜结构,图(e)为E型膜（硬中心）结构,这些都是常用于应变式传感器的结构。微型硅应变式传感器的一些基本结构上一页返回下一页（1）体型半导体电阻应变片1.结构型式及特点2.测量电路1.结构型式及特点主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍横向效应和机械滞后极小温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多上一页返回下一页体型半导体应变片的结构形式1-P型单晶硅条2-内引线3-焊接电极4-外引线对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的影响，其关系式为：oTURURR2.测量电路恒压源恒流源)/(0tRRRUURIU0电桥输出电压与ΔR/R成正比，输出电压受环境温度的影响。R为应变片阻值，ΔR为应变片阻值变化，ΔRt为环境温度变化受环境温度引起阻值的变化电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。上一页返回下一页（2）扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构简图1—低压腔2—高压腔3—硅杯4—引线5—硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜上一页返回下一页工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。])31()1[(83])3()1[(8322022202rrhprrhptr设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。上一页返回下一页扩散型压阻式压力传感器特点优点:体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。上一页返回下一页（3）测量桥路及温度补偿由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。减少与补偿误差措施1.测量电桥2.零点温度补偿3.灵敏度温度补偿上一页返回下一页1.测量电桥恒流源供电的全桥差动电路假设ΔRT为温度引起的电阻变化IIIADCABC21电桥的输出为RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。上一页返回下一页2.温度漂移及其补偿上一页返回UR1R2R4R3U0RsRpVD温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移零漂扩散电阻值随温度变化灵敏度漂移压阻系数随温度变化零位温漂串、并联电阻灵敏度温漂串联二极管串联电阻Rs