固态压阻传感器13级待用课件

§2-2固态压阻式传感器电阻应变式传感器中的桥式结构BasicSacrificialLayerProcessing●Step1:Depositionofsacrificiallayer●Step2:Patterningofthesacrificiallayer●Step3:Depositstructurallayer(conformaldeposition)●Step4:Liquidphaseremovalofsacrificiallayer●Step5:Removalofliquid-drying

随着半导体集成电路技术的发展、人们将集成电路工艺用于制造半导体集成传感器，从而出现了固态压阻式传感器。固态压阻式传感器是利用半导体的电阻率随应力变化的性质所制成的半导体器件，它是在半导体材料的基片上用集成电路工艺扩散电阻，并将扩散电阻直接作为敏感元件。半导体基片受到外界振动、压力等作用将产生变形，其内部应力随之发生变化，而扩散电阻的阻值亦随着发生相应的变化，根据电阻值变化的大小，就可确定振动、压力等大小。利用压阻式变换原理制成的传感器称为压阻式传感器（piezoresistivesensor）一，半导体材料的压阻效应１、利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片（如图）固体力电阻率变化半导体效应显著２、在半导体材料的基底上，用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻。任何材料的电阻变化率都可以写为

半导体材料的电阻取决于有限数目的载流子、空穴和电子的迁移，其电阻率可表示为金属材料半导体材料平均迁移率载流子浓度

电子电荷量

应力作用于半导体，单位体积内的载流子数目即载流子浓度，平均迁移率都要发生变化，从而使电阻率发生变化，此即为半导体压阻效应的本质。由实验知，半导体电阻率相对变化可表示为压阻系数表示单位应力引起的电阻率的相对变化应力对于单向受力的晶体有，由此电阻率的相对变化可写为电阻的相对变化为

半导体材料的弹性模量的范围为，压阻系数范围是，所以在之间。因此半导体材料的应变灵敏度远大于金属的应变灵敏度。并且其主要是由于电阻率的相对变化所引起，几何参数变形值占非常小的分量。基于以上分析有特点：压阻系数高；分辨率高；易于实现集成化、智能化；温度系数大；存在较大的温度误差。二、压阻系数对于应变片的应变效应，有相应地对于半导体的压阻效应，有纵向灵敏度系数横向灵敏度系数纵向压阻系数横向压阻系数１，压阻系数矩阵三个正应力三个独立的切应力讨论一个标准的单元微立方体，它沿单晶硅晶粒的三个标准晶轴1,2,3的轴向取出。如图六个独立应力六个独立电阻率相对变化应力与电阻相对变化率之间有关系压阻系数矩阵特点：切应力不引起正向压阻效应；正应力不引起剪切压阻效应；切应力只在自己的剪切平面内产生压阻效应，无交叉影响；具有一定的对称性。即因此有☼正向压阻效应相同剪切压阻效应相同横向压阻效应相同只有三个独立的压阻系数，定义为单晶硅的剪切压阻系数。单晶硅的横向压阻系数；单晶硅的纵向压阻系数；N型硅的可以忽略，，较大，且有●在常温下，Ｐ型硅的，可以忽略常用的压阻系数表２，任意晶向的压阻系数1,2,3为单晶硅立方晶格的主轴方向，电阻条R的纵向为P，其横向为Q方向。定义，分别为电阻条的纵向、横向压阻系数，有以下关系存在●单晶硅任意方向压阻系数计算如下图所示纵向压阻系数横向压阻系数其横向在主轴坐标系统中的方向余旋其纵向在主轴坐标系统中的方向余旋利用上式，可以计算任意方向的电阻条的压阻系数的方向余弦为３，计算实例的方向余弦为

A、计算面上晶向的纵向、横向压阻系数。xyzADECHGFBPQ所以有的方向余弦为的方向余弦为xyzADECHGFB12（001）3xyzADECHGFBB、计算面上晶向的纵向、横向压阻系数。的方向余弦为的方向余弦为DCEABHGFxyz其纵向、横向压阻系数分别为对于Ｐ型硅对于N型硅差动电桥

C、绘出P型硅面内的纵向和横向压阻系数的分布图

如图所示，在面内，方向P，Q的方向余弦分别为和有P型硅面内，。差动电桥P型硅(001)(011)(211)４，影响压阻系数大小的因素压阻系数与扩散杂质表面浓度的关系如图所示。压阻系数与表面杂质浓度的关系影响压阻系数大小的因数有扩散杂质的表面浓度和温度有如下关系存在

●扩散杂质的表面浓度增加时，说明载流子的浓度也要增加，由上式可知，电阻率必然要降低；但另一方面由于扩散杂质的表面浓度增加，载流子浓度比较大，半导体受到应力作用后，电阻率的变化更小，因此电阻率的变化率是降低的。这说明了当扩散杂质的表面浓度增加时，压阻系数是降低的。平均迁移率载流子浓度

电子电荷量压阻系数和温度的关系如图所示。

●温度变化时，压阻系数的变化也比较明显。温度升高，载流子的杂散运动增大，使单向迁移率减小，因而电阻率变大，从而使电阻率的变化率减少，故压阻系数随温度的升高而减少。压阻系数与温度的关系

扩散杂质表面浓度较小时，迁移率减小得较多，使电阻率增加得也较多，因而使压阻系数随温度的增加下降的较快。而浓度较高时，迁移率减小得较少，电阻率增加得也较少，压阻系数随温度的增加下降得较慢。三，扩散电阻的阻值与几何参数的确定如图，设传感器后接负载电阻为，则负载上的电压为只有当时，与桥臂有关的电阻才有扩散电阻有如图所示的类型扩散电阻长度扩散电阻宽度方块数□RS薄层电阻，方块电阻弯曲电阻的计算公式为端头校正因子弯角数弯头校正因子（近似取0.5）细型电阻值按下式计算由扩散杂质表面浓度和结深决定细型宽型·单位宽度电阻条最大工作电流设电阻单位面积的的容许功耗为电阻单位宽度容许通过的电流为由此可知，电阻上容许通过的电流I除与容许功耗有关外，还与薄层电阻有关电阻上流过电流时产生热量，电阻的发热会使阻值发生变化直至烧坏电阻。如果单位面积容许功耗单位宽度容许的电流如下：算出后，即验算外加电压或电流是否容许薄层电阻单位宽度容许的电流四，典型的压阻式传感器１，压阻式压力传感器

下图为一常用的压阻式压力传感器结构示意图。敏感元件圆形平膜片采用单晶硅，基于单晶硅材料的压阻效应，利用微电子加工中的扩散工艺在硅膜片上制造压敏电阻。高压腔P硅膜片低压腔引线2、圆平膜片上压敏电阻位置设计

对于周边固定的平膜片，其上表面的半径ｒ处，径向应力切向应力与所承受的压力间ｐ的关系为单晶硅电阻的压阻效应，有由上述关系，可得到如下结果设计膜片压力传感器基础前面已分析，P型硅面内，当压敏电阻的纵向与的夹角为时，该电阻的纵向和横向压阻系数为如果压敏电阻的纵向取圆膜片的径向，即如果压敏电阻的纵向取圆膜片的切向，即对比上面两式可知，在单晶硅的面内，如果将Ｐ型压敏电阻分别设置在圆平膜片的径向和切向，则它们的变化是互为相反的，即径向电阻条随压力单调地减小，切向电阻条的电阻随压力单调地增加，且增加量与减小量相等。这一规律为设计压敏电阻条提供了非常好的条件

压敏电阻应该设置在压阻效应最显著位置的径向与切向.此时在圆膜片的径向和切向,Ｐ型电阻条的压阻效应可表述为

另一方面，上述压阻效应也是电阻条的纵向与方向夹角的函数。

下图给出了电阻的相对变化规律。按此规律即可将电阻条设置于圆膜片的边缘处。这样，沿径向和切向各设置两个P型压敏电阻条。R1R4R2R3R1R3R2R43、电桥输出电路据以前的分析有当没有温度影响或不考虑温度影响时，恒压源供电电路如图所示输出与成正比，与所加电压成正比

同时，当时，电桥输出与温度有关，且为非线性关系，所以采用恒压源供电不能消除温度误差。采用恒流源供电如图所示电桥的两个支路的电阻相等即有由此可得输出电压为4、压阻式加速度传感器mxaLR1(R4)OR2(R3)l硅梁悬梁臂上表面根部沿ｘ方向的正应力为上式中的纵向压阻系数为于是，沿悬梁臂长度方向（）设置的P型硅压敏电阻的压阻效应可以描述为只有正应力扩散电阻硅梁质量块基座而沿悬梁臂宽度方向（）设置的P型硅压敏电阻的压阻效应可以描述为其横向压阻系数为整理上述关系式，可得由此可见，按上述原则在悬梁根部设置的压敏电阻符合构成全桥差动电桥的原则，其输出电路与前面所述电路完全相同。加速度传感器的一种结构质量块mL应变片弹簧片外壳基座扩散型半导体薄膜固态压阻式传感器和金属应变片式传感器都可以用来测量应力的大小。问两者测量应力时的方法和原理有何异同？

五，压阻式传感器温度漂移的补偿温度变化零点温度漂移和灵敏度温度漂移。薄层电阻大，温度系数大扩散电阻阻值随温度变化而变化，扩散电阻的温度系数随薄层电阻不同而不同。硼扩散电阻的阻值如图所示。

●压阻式传感器零点漂移一般可以采用串并联电阻的方法进行补偿。下图示出了一种补偿方案。产生原因：四个扩散电阻阻值不一致或温度系不相同解决方法：用串、并联电阻补偿调零补偿温度升高R2增加较大，D点电位低于B点电位。零点漂移在R2上并联温度系数为负、阻值较大的电阻桥臂电阻在低温时的阻值桥臂电阻在高温时的阻值低温高温期望值已知有关RS、RP的计算方法ACBDR1R2R3R4RPRS

根据低温与高温下输出两点电位相等的条件可得由此可以算出所需串并联电阻的大小。温度系数ACBDR1R2R3R4RPRS再由

●传感器的灵敏度温漂一般采用改变电源电压的大小来进行补偿。产生原因：四个扩散电阻的压阻系数随温度变化。温度升高压阻系数变小；温度降低压阻系数变大解决方法：在电源回路中串联二极管或其他能改变电源电压的方法下图即为进行补偿的电路用正温度系数热敏电阻改变运算放大器的输出电压，从而改变电桥电压的大小，达到补偿的目的。利用三极管基极与发射极间的PN结敏感温度，使三极管的输出电流变化，改变管压降的大小，从而改变电桥电压。因为二极管PN结温度特性为负，温度每升高1℃，正向压降降低（1.9-2.4）mv.温度升高，电桥电压增加，计算出所需二极管个数即可。低温时输出高温时输出二极管PN结正向压降的温度系数温度变化范围二极管的个数灵敏度温度漂移零点温度漂移在传统的工业用压阻式压力传感器中，硅膜片用机械研磨方法在硅片背面加工而成（即形成所硅杯）．这种方法加工的硅膜片尺寸较大，电阻的尺寸可取得较大，电阻位置的偏差影响也比较小．但是，在集成化和微型化的压力传感器中，硅膜的尺寸大大缩小，电阻值和位置偏差引起的灵敏度偏差有可能成为影响桥路性能的重要因素。因此，在较小的硅膜上保证较高的电阻精度和降低位置灵敏性，就成为微小型化压力传感器压阻全桥设计中的重要问题。六、硅膜片上的压阻全桥设计固态压阻式压力传感器常用的膜片结构有圆形、方形和矩形三种。硅膜片的结构不同，在压力作用下，硅膜上的应力分布也不同，因此，压阻全桥在硅膜片上的设计也不同．在压力敏感器件的设计中，晶体的取向有（100）和（110）晶面等。近来，方形和矩形膜比较流行，特别是在集成压力传感器中。方形和矩形硅膜片，是用各向异性腐蚀的方法制作的．为适应各向异性腐蚀工艺的要求，硅膜通常选在（100）晶面上。在（100）晶面硅膜上，当电阻取向在和晶向时，电阻的压阻系数最大。表示式变为这时即在压力作用下，硅膜上电阻的相对变化正于与应力差。对于圆形膜片,根据弹性力学的计算结果，压力P在半径为R的圆形硅膜上引起径向和切向应力：在膜中心处，和具有正最大值。由此可见，硅膜上存在着正负两个应力区，从而产生了在圆形硅膜上压阻全桥的两种基本设计方法。随着r增大，和逐渐下降，在r＝0.609a和0.875a处为零,在膜边缘处，和为负值．在边缘其绝对值达到最大，1.压敏电阻位于同一应力区压敏电阻设置在硅膜的同一应力区。方案一，在(001)晶面上,两个电阻位于<110>向，另两个电阻位于晶向；如图所示。压敏电阻R2、R4沿<110>晶向布置，在这两个电阻上的纵向应力，横向应力。纵向压阻系数,横向压阻系数所以R2、R4的相对变化量为

压敏电阻R1、R3、沿方向布置，其横向为＜110＞晶向。电阻上的纵向应力，横向应力纵向压阻系数和横向压阻系数分别表示为受力后电阻R1、R3的相对变化量为得到径向和切向布置的力敏电阻的相对变化

从图中看出，r越大,与越大。所以单从提高灵敏度的角度考虑．最好将四个电阻制作在膜片有效面积的边缘上。另一种设计方案，将四个电阻布置在（001）晶面的圆形膜片边缘附近，如图所示。这四个电阻互相平行，R1、R3为径向电阻，R2、R4为切向电阻。硅膜片受力后，压敏电阻值的相对变化量有正负之分，同样可以达到实现提高压阻全桥灵敏度的目的。2.压敏电阻分别位于正负应力区当选取晶面的P型硅作弹性膜片时，在沿<110>方向的直径上制作四个相等的扩散电阻，如图所示。这种电阻，只有纵向压阻效应,即面这同样可达到