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1、5:01 PM,1,上次课内容回顾,弹性敏感元件2. 应变片电阻传感器的工作原理 应变效应 金属应变片的主要特性3. 电桥转换电路和温度补偿原理4. 应变片式传感器的应用,5:01 PM,2,第二节 压阻式传感器,材料阻值变化：,应变效应,5:01 PM,3,一、压阻效应,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。,5:01 PM,4,电阻相对变化量：,式中： 压阻系数； E弹性模量； 应力； 应变。,5:01 PM,5,对半导体材料：,对金属材料：,5:01 PM,6,压阻式传感器分类,体型压力传感器：半导体应变式固态压阻式传感器（扩散型压阻传感器）：应变电
2、阻与硅基片一体化,5:01 PM,7,固态压阻式传感器的特点,灵敏度高分辨率高体积小、重量轻、频率响应高温度误差大,5:01 PM,8,天然形成的石英晶体,二、晶向的表示方法,5:01 PM,9,硅为立方晶体结构,单位晶面,5:01 PM,10,晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定： 晶面符号为(hkl) 晶面全集符号为hkl 晶向符号为 hkl 晶向全集符号为hkl,h、k、l称为密勒指数,5:01 PM,11,分析立方晶体中的晶面、晶向,对立方晶系（x=y=z,xyz),面指数为（hkl)的晶面与密勒指数为hkl的晶向彼此垂直。,X,5:01 PM,12,【例】,晶向、晶面分别为：,晶向、
3、晶面、晶面族分别为：,5:01 PM,13,三、压阻系数,1、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：,5:01 PM,14,电阻率的变化与应力分量之间的关系:,5:01 PM,15,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,5:01 PM,16,压阻系数矩阵:,5:01 PM,17,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）：44 0 ， 12 -1/211 ，,压阻系数（10-11m2/N）,5:01 PM,18
4、,2、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,5:01 PM,19,将各个压阻系数向P、Q方向投影:,如果已知：(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦,5:01 PM,20,关于方向余弦,某晶向hkl(h,k,l是密勒指数）的方向余弦为：,5:01 PM,21,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、n2,5:01 PM,22,5:01 PM,23,5:01 PM,24,对P型硅(掺杂三价元素）：只考虑44对N型硅(掺杂五价元素）：
5、12 -1/211,5:01 PM,25,例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向与横向压阻系数。,设（110）晶面内晶向的一般形式为hkl,则：,5:01 PM,26,设 110 与 001 晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1, l2、m2、n2,5:01 PM,27,5:01 PM,28,3、影响压阻系数的因素 扩散电阻的表面杂质浓度和温度。,扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小,5:01 PM,29,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Ns n在应力作用下的变化更小 / ,5:01 PM,30,表面杂质浓度低时，温度
6、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,5:01 PM,31,解释：,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,Ns大：受温度影响小高浓度扩散，使p-n结击穿电压绝缘电阻 漏电漂移性能不稳定,5:01 PM,32,四、固态压阻器件,1、器件的结构原理,1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 粘贴剂 硅底座 引压管 Si 保护膜 7 引线,5:01 PM,33,5:01 PM,34,当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图 (a)所示，其阻值的相对变化为：,力敏电阻受力情况示意图,5:01 PM,35,径向电阻Rr 切向电阻Rt,
7、（b）,5:01 PM,36,若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为： 式中r、x、h膜片的有效半径、计算点半径、厚度（m）； 泊松系数，硅取=0.35； P压力（Pa）。,5:01 PM,37,平膜片的应力分布图,5:01 PM,38,方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应,在001晶向的N型硅膜片上，沿110与110两晶向扩散四个P型电阻条,5:01 PM,39,5:01 PM,40,1、在110晶向：扩散两个径向P型电阻,5:01 PM,41,2、在110晶向：扩散两个切向P型电阻,5:01 PM,42,所以：,5:01 PM,43
8、,电阻变化与r的关系：,5:01 PM,44,如：扩散在0.812r处，此时t=0,5:01 PM,45,方案二：只利用纵向压阻效应,在110晶向的N型硅膜片上，沿110晶向在0.635r之内与之外各扩散两个P型电阻条，110的横向为001。,5:01 PM,46,110方向方向余弦：,001方向方向余弦：,5:01 PM,47,平膜片的应力分布图,5:01 PM,48,内、外电阻值的变化率应为：,即可组成差动电桥。,式中 、 内、外电阻所受径向应力的平均值,内外电阻的相对变化。,设计时，适当安排电阻的位置，可以使得:,=,于是有,5:01 PM,49,1、恒压源供电,五、测量桥路及温度补偿,
9、5:01 PM,50,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。,5:01 PM,51,2、恒流源供电,B,5:01 PM,52,可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关。但与温度无关，因此不受温度的影响。,5:01 PM,53,3. 零点温度补偿,5:01 PM,54,4、灵敏度温度漂移,漂移的原因：压阻系数随温度变化引起,温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。,5:01 PM,55,补偿方法1：改变电源电压的方法,5:01 PM,5
10、6,因为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降约减小(1.92.5)mV。,方法2：串联正向二极管,5:01 PM,57,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。它通常被应用于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。,5:01 PM,58,MPX4100A系列集成硅压力传感器,5:01 PM,59,应用三角翼表面压力测量,5:01 PM,60,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),5:01 PM,61,微机电系统的微细加工技术,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。,5:01 PM,62,单晶硅立体结构的腐蚀加工过程,5:01 PM,63,表面腐蚀加工牺牲层技术形成硅梁过程,5:01 PM,64,5:01 PM,65,小 结,压阻式传感器的工作原理压阻效应、晶面晶向的表示(密勒指数、方向余弦)压阻系数、阻值变化的计算纵、横向压阻系数的计算任意方向电阻条电阻变化的计算温度漂移及其补偿,
