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,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,2,13.1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。,3,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。,4,5,材料阻值变化：,对金属材料：,对半导体材料：,6,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: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。,7,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。,8,9,一、晶面表示方法,10,密勒指数：,h,k,l：称为密勒指数,11,表示方式：,对立方晶系（x=y=z,xyz),面指数为（h,k,l)的晶面与密勒指数为的晶向彼此垂直,表示晶面,表示晶向,表示晶面族,12,例：,晶向、晶面、晶面族分别为：,晶向、晶面、晶面族分别为：,13,例：,x,y,z,14,判断两晶面垂直,两晶向A与B:,15,判断或求出与两晶向都垂直的第三晶向,两晶向A与B:,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？,16,17,13.3、压阻系数,一、单晶硅的压阻系数,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:,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,19,对P型硅(掺杂三价元素）：11、120，只考虑44：对N型硅(掺杂五价元素）：440，12-1/211、，,压阻系数（10-11m2/N）,20,21,二、任意方向（P方向）电阻变化,：纵向应力：横向应力：纵向压阻系数:横向压阻系数,22,将各个压阻系数向P、Q方向投影:,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,某晶向(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,设011与011晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2,25,26,27,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：,设110与001晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2,28,29,30,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：,设P与Q的方向余弦为：l1、m1、n1和l2、m2、n2,31,32,33,34,三、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（44),N型Si（11),35,解释：,n：载流子浓度e：载流子所带电荷：载流子迁移率：电阻率,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/,36,2、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/Ns大，变化较小变化小Ns小，变化大变化大,解释：,载流子浓度的影响,Ns大：受温度影响小44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,37,38,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,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,40,一、（膜片式）压阻式压力传感器,41,42,43,圆硅膜片的应力分析,44,二、任意方向（P方向）电阻变化,：纵向应力：横向应力：纵向压阻系数:横向压阻系数,(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦,45,关于方向余弦,某晶向(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为：,46,膜片应力分析,按小挠度理论：,47,方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应,在晶向的N型硅膜片上，沿与二晶向扩散四个P型电阻条,48,49,1、在晶向：扩散两个径向P型电阻,2、在晶向：扩散两个切向P型电阻,50,51,所以：,电阻变化与r的关系：,52,53,或扩散在0.812a处，此时t=0,54,方案二：只利用纵向压阻效应,在晶向的N型硅膜片上，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,方向方向余弦：,方向方向余弦：,55,56,在0.635a之内、外，r分别为正、负，所以：,57,第二种布片方法：,58,59,应用三角翼表面压力测量,60,二、压阻式加速度传感器,悬臂梁单晶硅衬底采用（001）晶向，沿与晶向分别扩散二个(P型)电阻条,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),61,1、在晶向扩散两个电阻R1R2,其电阻变化为：,62,2、在晶向扩散两个电阻R3R4,其电阻变化为：,63,三、压阻式传感器的输出,1、恒压源供电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：,64,电桥输出为：,当Rt=0时：,Rt0时，Uout=f(t)是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。,65,2、恒流源供电,输出与温度无关，不受温度影响输出与I有关精度要求不高时用恒压源供电,66,67,13.6、温度漂移的补偿,一、零位温度漂移,漂移的原因：扩散电阻的阻值随温度变化而引起。Rt=R0（1+t）,68,补偿方法：串、并联电阻方法,串联电阻Rs调零并联电阻Rp补偿,Rs、Rp的确定：,RsRp温度特性已知：,69,二、灵敏度温度漂移,漂移的原因：压阻系数随温度变化引起,70,补偿方法：改变电源流电压的方法,71,补偿线路1,72,补偿线路2：,串联正向二极管.二极管温度特性：T正向压降,压阻式传感器常用补偿方法,硬件线路补偿软件补偿专用补偿芯片补偿MCA7707是一种采用CMOS工艺的模拟传感信号处理器。它通常被应用于于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。,73,13.7压阻传感器专用信号调理集成电路,硅压阻电桥的多种专用信号调理电路IC，使完整的压力传感器设计变得更简便。这些信号调理电路IC中除了有基本的高精度的测量放大器之外，还安排了为电桥供电的电流源电路和包括失调、温漂、满程偏差等多项误差修正与补偿电路，使传感器的测压精度大为提高。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,74,MAX1450型硅压阻电桥信号调理IC简介,芯片内包括：一个可调的驱动硅压阻电桥用的电流源电路一个3位数字控制的增益可编程放大器（PGA）一个A=1的缓冲放大器,75,MAX1450中驱动电桥的电流源电路,76,PGA中引入失调与温漂的修正信号,增益可编程放大器（PGA）实际上是一个共模抑制比（CMRR）为90dB的测量放大器，引脚A0、A1、A2输入二进制代码，可按8级控制放大器的增益，39、65、91、221倍。“OFFSET”、“OFFTC”分别引入失调与温漂的大小量，而“SOFF”、“SOTC”则分别控制失调与温漂的正负方向。,77,13.8单片集成硅压力传感器,集成传感器是采用专门的设计与集成工艺，把构成传感器的敏感元件、晶体管、二极管、电阻、电容等基本元器件，制作在一个芯片上，能完成信号检测及信号处理的集成电路。因此，集成传感器亦称作传感器集成电路。与传统的由分立元件构成的传感器相比，集成传感器具有功能强、精度高、响应速度快、体积小、微功耗、价格低、适合远距离信号传输等特点。集成传感器的外围电路简单，具有很高的性价比，为实现测控系统的优化设计创造了有利条件。单片集成化硅压力传感器是采用硅半导体材料制成的，内部除传感器单元外还增加了信号调理、温度补偿和压力修正电路。,78,由美国Motorola公司生产的单片集成化硅压力传感器，主要有MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700系列。它们的性能特点主要有以下几个方面：（1）内部有压力信号调理器、薄膜温度补偿器和压力修正电路，利用温度补偿器可消除温度变化对压力的影响，温度补偿范围是40+1250C。（2）传感器的输出电压与被测绝对压力成正比，适配带A/D转换器的微控制器，构成压力检测系统，还可构成LED条图显示压力计或压力调节系统。（3）采用显微机械加工、激光修正等先进技术和薄膜电镀工艺，具有测量精度高、预热时间短、响应速度快、长期稳定性好、可靠性高、过载能力强等优点。,79,MPX4100A系列集成硅压力传感器,80,81,微机电系统的微细加工技术,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有关,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（湿法）和离子刻蚀（干法）技术。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。,82,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。然后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,83,图是利用这种工艺制造多晶硅梁的过程。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。在SiO2层及余下的Si3N4上生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁,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,84,85,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,压阻式悬臂梁加速度微传感器,86,首先在硅片上腐蚀