压阻式传感器演示幻灯片

1,第13章压阻式传感器,1）压阻式传感器的工作原理半导体压阻效应2）压阻系数、阻值变化的计算a、压阻系数与任意方向阻值变化的计算b、晶向与密勒指数3）典型压阻式传感器原理分析4）温度漂移及其补偿,主要内容：,2,13.1概述,1）压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻率（或电阻值）发生变化的现象。2）半导体压阻效应：半导体（单晶硅）晶片受到外力作用，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，从而导致其电阻率产生剧烈的变化，表现在由其材料制成的电阻器阻值发生极大变化。3）固态压阻传感器：利用压阻效应原理，采用集成电路制作等一些特殊工艺，在单晶硅片上沿特定晶向生成电阻，组成电桥，并利用硅的力学特性，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。,3,压阻式传感器分类,粘贴型压阻传感器：半导体应变片,半导体应变片,固态压阻传感器,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,4,应用情况,1）开始研制于1960s。以气、液压力为检测对象，与膜盒式、电感式、电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器比较，技术上有明显优势，目前仍是压力测量领域主要产品。2）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，在传感器市场上占有很大比例，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。3）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构成智能传感器，倍受欢迎。,5,6,压阻效应：,7,压阻效应的原因:,对半导体：,8,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50100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:小量程对应高分辨率。体积小、重量轻、频率响应高:芯体采用集成工艺，无传动部件，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，工作频带宽，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。受温度影响大: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。,9,13.2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：表示原子或离子的分布形态。原子或离子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：单晶硅的受力或者电阻测量取向，为晶面的法线方向。,基本概念：,10,晶面表示方法,截距式：,法线式：,r,s,tx,y,z轴的截距,cos,cos,cos法线的方向余弦,法线长度,11,密勒指数,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）,12,表示方式,表示晶面,表示晶向（逗号可以用空格代替）,表示晶面簇,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晶面簇的晶面都与（h,k,l)晶面平行。,13,例：,晶向、晶面、晶面族分别为：,晶向、晶面、晶面族分别为：,14,例：（特殊情况）,x,y,z,15,判断两晶面垂直,两晶向：A与B:,垂直：,不垂直：,16,求与两晶向都垂直的晶向,两晶向：A与B:,晶向C与A、B都垂直，则:,17,例：求与两晶向都垂直的第三晶向,已知：,已知：,18,19,13.3压阻系数,一、单晶硅的压阻系数,20,材料阻值变化,六个独立的应力分量：,六个独立的电阻率的变化率：,广义：,21,六个独立的应力分量：,六个独立的电阻率的变化率：,22,电阻率的变化与应力分量之间的关系,23,剪切应力不产生正向压阻效应,正应力不产生剪切压阻效应,分析,24,剪切应力只能在剪切应力作用平面方向产生压阻效应,25,分析,正向压阻系数相等（正立方晶体、对称性）横向压阻系数相等剪切压阻系数相等,26,压阻系数矩阵,独立的压阻系数分量,纵向压阻系数：11横向压阻系数：12剪切压阻系数：44,注意：相对三个晶轴方向而言！,27,压阻系数矩阵和压电矩阵的比较,纵向压阻系数：11横向压阻系数：12剪切压阻系数：44,压电矩阵：,压阻矩阵：,28,下面要思考解决的问题：,1、薄片扩散硅和硅立方晶体的关系是什么？,2、扩散硅的晶向如何确定？,3、如何通过密勒指数计算压阻传感器的电阻率的变化？,4、P型硅和N型硅的区别是什么？,5、压阻系数受哪些因素的影响？,29,二、任意方向（P方向）电阻条电阻变化,：纵向应力：横向应力：纵向压阻系数:横向压阻系数,注意：晶轴方向。,扩散条为特殊的2向应力状态！,30,将各个压阻系数向P、Q方向投影,(l1,m1,n1):P方向的方向余弦(l2,m2,n2):Q方向的方向余弦,31,硅压阻系数的典型数据,1）对P型硅：11、120，只考虑442）对N型硅：440，12-1/211,请注意：认为某个系数近似为零只是用于分析设计，抓主要矛盾！,32,硅压阻系数确定路线：,33,关于方向余弦,某密勒指数为x,y,z的晶向的方向余弦为：,34,例1：计算（100）晶面内011晶向的纵向与横向压阻系数。,35,解：设（100）晶面内011晶向的横向为C，则：,36,37,38,例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向与横向压阻系数。,39,取,40,设（110）晶面内晶向的一般形式为hkl,则：,做法2（根据规律试凑）：,41,42,43,例3：做出P型硅（100）晶面内纵向与横向压阻系数分布图。,解：设（100）晶面内晶向的一般形式为hkl,则：,44,设P与Q的方向余弦为：l1、m1、n1,l2、m2、n2，根据图中P、Q的方向，有：,45,46,以极坐标形式表示,47,三、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(10181021)增加，压阻系数减小。,P型Si（44),N型Si（11),48,解释：,：电阻率n：载流子浓度e：载流子所带电荷：载流子迁移率,Ns杂质原子数多载流子多n,杂质浓度Nsn在应力作用下的变化更小/压阻系数减小,49,2、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。,Ns小,Ns大,解释：,T载流子获得的动能运动紊乱程度/Ns大:温度引起变化较小变化小Ns小:温度引起变化较大变化大,50,载流子浓度影响总结,Ns比较大时：a.压阻系数受温度影响小,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。,51,13.4压阻式传感器,一、压阻式压力传感器,为固定边缘,硅膜片的周边较厚,呈杯形,也称为硅杯。硅膜片上的四个扩散电阻接成电桥。硅边的内腔与被测压力p相连,杯外与大气相通，测量表压；若杯外与另一压力源相接,则可测压差。,52,实物结构,53,硅膜片的晶向选择与扩散电阻位置的确定,1)膜片晶面(晶向)选择：常用（001）、（110）、（110）等晶面(晶向)。2)电阻条位置的确定：电阻的变化符合测量电桥要求;电阻的变化量尽量大;一般制作方法：在某一晶面内选择两个相互垂直的晶向扩散电阻。,54,测量电桥,55,圆硅膜片的应力/应变分析,Caution:电阻应变式直接测量线应变，而压阻式电阻条直接测量的是正应力！,56,方案一：,57,晶向解释：,(001)面平行于xoy面!。,58,59,对于P型Si，11、120，只考虑44,60,61,在晶向：扩散两个切向电阻,62,63,在晶向：扩散两个切向电阻,在晶向：扩散两个径向电阻,64,结论:将电阻扩散到硅膜片的边缘！,65,或扩散在r=0.812a处，此时t=0,注意：为r=a处的2/3左右。,66,方案二：只利用纵向压阻效应,在晶向的园形硅膜片上，沿晶向在0.635a之内与之外各扩散两个P型电阻条，的横向为,67,在0.635a之内r为正，在0.635a之外r为负，所以：,68,69,70,传感器典型结构,71,三角翼表面气体压力测量,72,二、压阻式加速度传感器,m：质量块的质量(kg)b,h：悬臂梁的宽度和厚度（m）l：质量块的中心至悬臂梁根部的距离（m）a：加速度(m/s2),悬臂梁单晶硅衬底采用（001）晶面，沿与晶向分别扩散二个P型电阻条：,73,在晶向扩散两个P型电阻R1R2,晶向的压阻系数：,74,在晶向扩散两个P型电阻R3R4,晶向的压阻系数：,75,归纳：,76,=2,0.8,0.6,0.5,12345,543210,加速度传感器幅频特性,77,它是一种惯性式传感器。质量块3沿加速度a相反的方向运动（即相对于基座运动），使梁1发生形变，压阻条2产生输出信号，输出信号的大小与加速度成正比。,传感器结构,78,三、压阻式传感器的输出,1、恒压源供电设：扩散电阻起始阻值都为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为Rt：,79,电桥输出为：,当Rt=0时：,Rt0时，Usc=f(t)是非线性关系恒压源供电不能消除温度影响。,80,2、恒流源供电,输出与I成正比；输出与温度无关，不受温度影响；精度要求不高时用恒压源供电。,81,调理电路：,供桥电流IS=510mA,放大器增益：,82,四、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。,83,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。,真空蒸镀,图中,1真空室,2基底,3钨丝,4接高真空泵。,84,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。,溅射,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。,85,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。,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,86,2、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、掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、制作形状复杂、尺寸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。,87,1）先在单晶硅的（100）晶面生长一层氧化膜作为光掩膜,并在其上覆盖光敏胶形成图案（保护氧化膜，并可以利用光将其去除）,再浸入氢氟酸中,腐蚀氧化膜；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。,单晶硅体型结构的腐蚀加工,88,1）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,89,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,90,13.5扩散电阻阻值与几何尺寸的确定,负载电阻的电压,当,结论：扩散电阻阻值不宜太大。,91,瘦形电阻等阻值：,折弯电阻计算：,K1端头校正因子；K2弯角校正因子，取0.5；n弯角数。,92,允许电流计算：,功率密度：,单位宽度允许通过的电流：,举例：设PU10W/m2,有：,93,13.6温度漂移的补偿,一、零位温度漂移,漂移的原因：由扩散电阻的阻值随温度而变化引起。Rt=R0（1+t）,(Ns小、电阻大),(Ns大、电阻小),94,补偿方法：,串联电阻主要调零并联电阻主要补偿,1)电桥的四个桥臂的扩散电阻相当；类型相同，利用电桥特点实现补偿；,2)对于剩余零位漂移，用串并联电阻的方法。,95,补偿原理：,设右上角加的为低温下对应的值；设右上角加的为高温下对应的值。,传感器电阻的阻值和温度系数已知。,96,若RsRp温度特性已知：,-串联电阻的温度系数（负值）；,-并联电阻的温度系数（负值）；,联立上面四方程，可以得：,常温下的值,97,若RsRp阻值不随温度变化，则：,联立上面二方程，可以得：,对比上述两种方法！,98,二、灵敏度温度漂移,漂移原因：温度变化，载流子扩散运动变化，迁移率改变，导致电阻率变化。,补偿方法：改变电源电流或电压。,99,补偿线路1,100,补偿线路2：,串联正向二极管：二极管温度特性：T正向压降,101,压阻式传感器常用温度补偿方法,1)硬件线路补偿2)软件补偿3)专用补偿芯片补偿MCA公司的MCA7707(以及MAXIM公司的MAX1457或MAX1450)采用CMOS工艺的模拟传感信号处理器，通常被应用于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。,102,专用处理芯片MAX1457,103,MAX1450外围电路,104,专用处理芯片MAX1457,1)MAX1457主要由可编程放大器、可编程传感器激励电流源、五个D/A转换器、一个A/D转换器和一个双通道差动模拟放大器等五个功能块组成。它的补偿对象是电桥作为输出形式的传感器，特别适合于压阻式传感器。2)用户可通过编程来校正以下参数:满量程输出系数满量程输出温度系数满量程温度非线性度偏置等对非线性度所有的修正都采用模拟的方法：根据特定的A/D转换器的输出数字量在矢量表中查询不同满量程温度系数、偏置温度系数,再由D/A转换器变成模拟量并放大处理后输出，对传感器的非线性误差进行修正。,105,MAX1457对传感器满量程输出的补