第8章 压阻式传感器

1、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 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这 种效应称为压阻效应种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。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、加速响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速 度和载荷等参数。度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传因为半

2、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。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 利用半导体材料的利用半导体材料的压阻效应压阻效应和集成电路技术制造的传和集成电路技术制造的传 感器。感器。 一、压阻效应及压阻系数一、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 灵敏度高灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50100倍，故相应的传倍，故相应的传 感器灵敏度很高，一般满量程输出为感器灵敏度很高，一般满

3、量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求，左右。因此对接口电路无特殊要求， 应用成本相应较低。应用成本相应较低。 分辨率高分辨率高: 能分辨能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。的压力变化。 体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又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

4、，使用带宽可以从静态至计传感器外型，使用带宽可以从静态至100千赫兹。千赫兹。 温度误差大温度误差大: 须温度补偿、或恒温使用。须温度补偿、或恒温使用。 由于微电子技术的进步，四个应变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压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达数已可达10-5/数量级数量级,即在压力传即在压力传 感器领域已超过的应变式传感器的感器领域已超过的应变式传感器的 水平。水平。 金属材料 半导体材料 ll l E l 半导体电阻率 l为半

5、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) R R (12) l R E R 6 1)半导体单晶硅是半导体单晶硅是各向异性各向异性材料材料; 2)硅是硅是立方立方晶体，按晶轴建立座标系晶体，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晶面：原子或离子可看作分布在相互平 行的一簇晶面上行的一簇晶面上; 4)晶向：晶面的法线方向晶向：晶面的法线方向. X(1) Y(2) Z(3) 7 1 t z s y r x pzyxcoscoscos z x y r s t p 截距式截距式：

6、 法线式法线式： r,s,tx,y,z轴的截距轴的截距 cos,cos,cos法线的方向余弦法线的方向余弦 法线 长度 8 lkh tsr : 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密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公 约数的整数。约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）方向余弦比的整数化表示） 1coscoscos p z p y p x 1 t z s y r x tsr 1 : 1 : 1 cos:cos:cos 9 lkh, lkh, lkh, 表示晶面表示晶面 表示晶向表示晶向 表示晶面族表示晶面族 对立方晶体来说，对立方晶体来说，

7、h,k,l晶向是（晶向是（h,k,l) 晶面的法线方晶面的法线方 向；向； h,k,l晶面族的晶面都与（晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。晶面平行。 10 1 ,1 ,1 1,1,1 1,1,1 晶向、晶面、晶晶向、晶面、晶 面族分别为：面族分别为： 1 ,2,2 1,2,2 1,2,2 晶向、晶面、晶晶向、晶面、晶 面族分别为：面族分别为： x y 1 1 1 z z x y 4 -2 -2 11 0,0,1 x y z 1 ,0,0 0,1 ,0 对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略 ll E R R 半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率的

8、变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 E RR K l / 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 一、单晶硅的压阻系数 3 1 2 22 23 21 33 32 31 11 12 13 14 E 654321 , 654321 , 六个独立的应力分量：六个独立的应力分量： 六个独立的电阻率的变化率：六个独立的电阻率的变化率： 广义广义： 15 令： 654321 , 六个独立的应力分量：六个独立的应力分量： 六个独立的电阻率的变化率：六个独立的电阻率的变化率： 111 222 333 正应力 32234 剪应力 13315 2112

9、6 16 6 5 4 3 2 1 666564636261 565554535251 464544434241 363534333231 262524232221 161514131211 6 5 4 3 2 1 17 表面杂质浓度表面杂质浓度Ns（1/cm3) 11 或或 44 1、压阻系数与表面杂质浓度的关系 扩散杂质浓度增加，压阻系数减小扩散杂质浓度增加，压阻系数减小 P型型Si（44) N型型Si（11) 18 en 1 ：电阻率：电阻率 n：载流子浓度：载流子浓度 e：载流子所带电荷：载流子所带电荷 ：载流子迁移率：载流子迁移率 Ns杂质原子数多杂质原子数多载流子多载流子多 n 杂质

10、浓度杂质浓度Ns n在应力作用下在应力作用下的变化更小的变化更小 / 的变化率减小的变化率减小 压阻系数减小压阻系数减小 19 温度温度T 44 温度升高时，压阻系数减小；温度升高时，压阻系数减小； 表面杂质浓度增加时，温度表面杂质浓度增加时，温度对对压阻系数的影响压阻系数的影响 变小（下降速度变慢）。变小（下降速度变慢）。 Ns小小 Ns大大 20 T载流子获得的动能载流子获得的动能运动紊乱程度运动紊乱程度 / Ns大，大， 变化较小变化较小 变化小变化小 Ns小，小， 变化大变化大 变化大变化大 21 Ns比较大时：比较大时： a.受温度影响小受温度影响小 c.高浓度扩散，使高浓度扩散，使

11、p-n结击穿电压结击穿电压绝缘电阻绝缘电阻漏电漏电 漂移漂移性能不稳定性能不稳定 b. Ns 灵敏度灵敏度 结论结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应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。用条件适当选择载流子的浓度。 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 (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 1.薄膜技术薄膜技术 薄膜技术是在一定的基底上薄膜技术是在一定的基底上,用真空蒸镀、溅用真空蒸镀、溅 射、化学气相淀积（射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成）等工艺技术加工成 零点几微米至几微米的金属、半导

12、体或氧化物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、薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、 膜等微型弹性元件膜等微型弹性元件,也可加工为转换元件也可加工为转换元件,有的有的 可作为绝缘膜可作为绝缘膜,有的可用作控制尺寸的牺牲层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。在传感器的研制中得到了广泛应用。 25 1 2 3 4 在真空室内在真空室内,将待蒸发的材将待蒸发的材 料置于钨丝制成的加热器料置于钨丝制成的加热器 上加热上加热,当真空度抽到当真空度抽到 0.0133Pa以上时以上时,加大钨丝加大钨丝 的加热电流的加热电流,使材料

13、融化使材料融化, 继续加大电流使材料蒸发继续加大电流使材料蒸发, 在基底上凝聚成膜。如图在基底上凝聚成膜。如图 所示。所示。 图中图中,1真空室真空室,2基底基底 ,3钨丝钨丝,4接高真空泵。接高真空泵。 26 在低真空室中在低真空室中,将待将待 溅射物制成靶置于溅射物制成靶置于 阴极阴极,用高压（通常用高压（通常 在在1000V以上）使以上）使 气体电离形成等离气体电离形成等离 子体子体,等离子中的正等离子中的正 离子以高能量轰击离子以高能量轰击 靶面靶面,使靶材的原子使靶材的原子 离开靶面离开靶面,淀积到阳淀积到阳 极工作台上的基片极工作台上的基片 上上,形成薄膜形成薄膜,如图如图 所示。

14、所示。 3 1 2 5 4 7 6 图中图中,1靶靶,2阴极阴极,3直流高压直流高压 ,4阳极阳极,5基片基片,6惰性气体惰性气体 入口入口,7接真空系统。接真空系统。 27 2 3 7 1 8 4 6 5 化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体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与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态生成固态 的淀积物质的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜淀积在基底上生成薄膜,如图所示。如图所示。 图中图中,1反应气体反应气体A入口入口, 2分子筛分子筛, 3混合器混合器, 4加加 热器热器, 5反应室反应

15、室, 6基片基片, 7阀门阀门, 8反应气体反应气体B入口入口 28 微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速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度与掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、对硅材料进行精细加工、 制作复杂微小的敏感元件的技术。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 体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和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）。离子刻蚀（干法）技术（采用惰性气体）。 2)表面腐蚀加工表面腐蚀加工牺牲层技术牺牲层技术 该工艺的特点是利用称为该工艺的特点是利用称为“牺

16、牲层牺牲层”的分离层的分离层, 形成各种悬式结构。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）如图(a)、(b)所示所示,先在单晶硅的（先在单晶硅的（100）晶面生长一）晶面生长一 层氧化层作为光掩膜层氧化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸再浸 入氢氟酸中入氢氟酸中,进行氧化层腐蚀；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）将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙

17、二胺邻苯二酚 水）对晶面进行纵向腐蚀水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（腐蚀出腔体的界面为（111） 面面,与（与（100）表面的夹角为）表面的夹角为54.74,如图如图(c)所示。所示。 30 N-Si100 Si3N4SiO2 PoLy-Si Al 空气腔 (a)(b) (c)(d) 利用该工艺制造多晶硅梁的过程：利用该工艺制造多晶硅梁的过程： 1）在）在N型硅（型硅（100）基底上淀积一层）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的作为多晶硅的 绝缘支撑绝缘支撑,并刻出窗口并刻出窗口,如图如图(a)所示。利用局部氧化技术在所示。利用局部氧化技术在 窗口处生成一层窗口处生成一层SiO2作

18、为牺牲层作为牺牲层,如图如图(b)所示；所示； 2）在）在SiO2层及余下的层及余下的Si3N4上生成一层多晶硅膜（上生成一层多晶硅膜（ PoLy-Si)并刻出微型硅梁并刻出微型硅梁,如图如图(c)所示。腐蚀掉所示。腐蚀掉SiO2层形层形 成空腔成空腔,即可得到桥式硅梁即可得到桥式硅梁,如图如图(d)所示。另外所示。另外,在腐蚀在腐蚀 SiO2层前先溅铝层前先溅铝,刻出铝压焊块刻出铝压焊块,以便引线。以便引线。 31 膜片 (a) 悬臂梁 (b) 桥 (c) 支承膜 (d)(e) 硬中心 图图(a)为方形平膜片结构为方形平膜片结构,除用于压力传感器外除用于压力传感器外,亦可用于电容亦可用于电容

19、 式传感器。图式传感器。图(b)为悬臂梁结构为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图可用于加速度传感器。图(c) 为桥式结构为桥式结构,图图(d)为支撑膜结构为支撑膜结构,图图(e)为为E型膜（硬中心）结型膜（硬中心）结 构构,这些都是常用于应变式传感器的结构。这些都是常用于应变式传感器的结构。 上一页返 回下一页 l1. 1. 结构型式及特点结构型式及特点 l2. 2. 测量电路测量电路 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 l1-P型单晶硅条 l2-内引线 l3-焊接电极 l4-外引线 对于恒

20、压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为： o T U R U RR l恒压源恒压源 l恒流源恒流源 )/( 0t RRRUU RIU 0 电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， R为应变片阻值变化， Rt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R成正比，环境温度的变化对其没有影响。 上一页返 回下一页 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：工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上

21、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四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定。 )31 ()1( 8 3 )3()1( 8 3 22 0 2 22 0 2 rr h p rr h p t r 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 l优点优点: 体积小，结构比较简单，动态响应体积小，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，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，频率响长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率

22、响 应高，便于生产，成本低。应高，便于生产，成本低。 l测量准确度受到非线性和温度的影响。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。非线性和温度进行补偿。 上一页返 回下一页 l由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温由于制造、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，影响传感器的漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 准确性。准确性。 l减少与补偿误差措施减少与补偿误差措施 1. 测量电桥测量电桥 2. 零点温度补偿零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿

23、 上一页返 回下一页 恒流源供电的全桥差动电路 假设RT为温度引起的电阻变化 III ADCABC 2 1 电桥的输出为 RI RRRIRRRI UU TT BD )( 2 1 )( 2 1 0 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 上一页返 回 U R1 R2 R4 R3 U0 Rs Rp VD 温度变化而变化，将引起零漂零漂和灵敏度漂移灵敏度漂移 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起调零作用 并联电阻RP起补偿作用 42

24、R1 R2 USC R3 R4 Rs Rp U 设右上角加设右上角加的为低的为低 温下对应的值；设右温下对应的值；设右 上角加上角加 的为高温下的为高温下 对应的值。对应的值。 4 2 3 3 1 R R RR RR RR p p S 4 2 3 3 1 R R RR RR RR p p S 43 )1(tRR ss )1(tRR pp -串联电阻的温度系数（负值）；串联电阻的温度系数（负值）； -并联电阻的温度系数（负值）；并联电阻的温度系数（负值）； psps RRRR、由 ；、 ps RR 联立上面四方程，可以得：联立上面四方程，可以得： 常温下的值 补偿灵敏度漂移原理：补偿灵敏度漂移原

25、理： 温度升高时，灵敏度降低，这时如果提温度升高时，灵敏度降低，这时如果提 高电源电压，使电桥输出适当增大，便高电源电压，使电桥输出适当增大，便 可达到补偿目的。可达到补偿目的。 温度升高时，二极管压降降低，可使电温度升高时，二极管压降降低，可使电 桥电源电压提高，关键是适当选择串联桥电源电压提高，关键是适当选择串联 二极管的个数。二极管的个数。 45 4 2 3 3 1 R R RR RR RR p p S 4 2 3 3 1 R R RR RR RR p p S ；、 PS RR 联立上面二方程，可以得：联立上面二方程，可以得： 对比上述两种方法！对比上述两种方法！ 46 1)硬件线路补偿

26、硬件线路补偿 2)软件补偿软件补偿 3)专用补偿芯片补偿专用补偿芯片补偿 MCA7707(MAX1457)是一种采用是一种采用 CMOS工艺的模拟传感信号处理器。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通常被应用于压阻式压力传感器的校 正和温度补偿。正和温度补偿。 l1. 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器 l2. 差频压阻式压力传感器差频压阻式压力传感器 l3. 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯 4-引线 5-硅膜片 在膜片位移量远小于膜片的厚度时，受均匀压力的圆形硅膜 片上各点的径向应力 和切向应力 ,可分别用下式计算:

27、r t 22 0 2 22 0 2 3 (1)(3) 8 3 (1)(1 3 ) 8 r t P rr h P rr h l扩散型压阻式压力传感器的主要优点就扩散型压阻式压力传感器的主要优点就 是体积小、结构简单，动态相应好，灵是体积小、结构简单，动态相应好，灵 敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高，敏度高，滞后、蠕变小，频率相应高， 性能稳定，成本低，便于批量生产。性能稳定，成本低，便于批量生产。 差频压阻式压力传感器工作原理图 （a）分布阻容网络； （b）相移振荡器； （c）差频振荡压阻 式压力传感器组合 独立的相移正弦振荡器振荡频率为： 6 2 f RC 压力的变化 ： 10 ( )ffff p l在实际应用