1、 第第8 8章章 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 8.1 8.1 壓阻式傳感器的工作原理壓阻式傳感器的工作原理 8.2 8.2 晶向的表示方法晶向的表示方法 8.3 8.3 壓阻系數壓阻系數 8.4 8.4 影響壓阻系數的因素影響壓阻系數的因素 8.5 8.5 壓阻式傳感器的結構與設計壓阻式傳感器的結構與設計 8.5.1 8.5.1 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 8.5.2 8.5.2 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器 8.6 8.6 壓阻式傳感器的測量電路及補償壓阻式傳感器的測量電路及補償 8.6.1 8.6.1 恒壓源供電恒壓源供電 8.6.2 8.6.2 恒流源供電恒流源供電 8.6.

2、3 8.6.3 減小在擴散工藝中的溫度影響減小在擴散工藝中的溫度影響 8.7 8.7 壓阻式傳感器的應用壓阻式傳感器的應用 壓阻式傳感器壓阻式傳感器：是利用固體的是利用固體的壓阻效應壓阻效應制成制成的一種測量裝置。的一種測量裝置。 壓阻效應壓阻效應：固體受到力的作用后，其電阻率固體受到力的作用后，其電阻率（或電阻）就要發生變化，這種現象稱為（或電阻）就要發生變化，這種現象稱為壓阻壓阻效應效應。 分類分類: : 粘貼型壓阻式傳感器粘貼型壓阻式傳感器：傳感元件是用半導傳感元件是用半導體材料的體電阻制成的體材料的體電阻制成的粘貼式應變片粘貼式應變片。 擴散型壓阻式傳感器擴散型壓阻式傳感器：傳感元件是

3、利用集傳感元件是利用集成電路，在半導體材料的基片上制成的成電路，在半導體材料的基片上制成的擴散電擴散電阻。阻。 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 8.1 8.1 壓阻式傳感器的工作原理壓阻式傳感器的工作原理 任何材料電阻的變化率都由下式決定任何材料電阻的變化率都由下式決定 對金屬，對金屬，/較小，而較小，而l/l、s/s較大，即尺寸的變化率較大，較大，即尺寸的變化率較大，故故金屬電阻的變化率主要是由金屬電阻的變化率主要是由l/l、s/s兩項引起兩項引起，這就是金屬應變片，這就是金屬應變片的基本工作原理。的基本工作原理。 對半導體，對半導體，l/l、s/s兩項很小，即尺寸的變化率很小，兩項很小，即尺寸的

4、變化率很小，/一項較大，一項較大，也就是電阻率變化率較大，故也就是電阻率變化率較大，故半導體電阻的變化率主要是由半導體電阻的變化率主要是由/一項一項引起的引起的，這就是，這就是壓阻式傳感器壓阻式傳感器的基本工作原理。的基本工作原理。ssllRR 如果引用如果引用 p p 為壓阻系數，為壓阻系數，s s -應力，再引進橫向變形的關系，應力，再引進橫向變形的關系，則電阻的相對變化率可寫成則電阻的相對變化率可寫成 式中式中 k靈敏系數；靈敏系數；-為泊松系數，為泊松系數，-應變應變 E- E-彈性模量。彈性模量。 pspppskEEllllRR)21()21 (2p21 Ek 對金屬，對金屬，E可忽

5、略不計，而泊松系數可忽略不計，而泊松系數= 0.250.5，故近似，故近似地有地有 ； 對半導體，對半導體，1+2可忽略不計，而壓阻系數可忽略不計，而壓阻系數=（4080）10-11Pa，彈性模量，彈性模量E = 1.671011Pa，故，故 式中式中 ky半導體材料的靈敏系數。半導體材料的靈敏系數。 結論：結論：半導體材料電阻變化率半導體材料電阻變化率R/R主要是主要是由由 / 引起的引起的，這就是半這就是半導體的壓阻效應。導體的壓阻效應。 當力作用于硅晶體時，晶格產生變形，載流子的遷移率發生變化，當力作用于硅晶體時，晶格產生變形，載流子的遷移率發生變化，使硅的電阻率發生變化。使硅的電阻率發

6、生變化。 電阻電阻變化率隨硅晶體的取向不同而不同，即變化率隨硅晶體的取向不同而不同，即：硅的壓阻效應與晶體硅的壓阻效應與晶體的取向有關的取向有關。2121kkEky10050pp21 Ek 晶向、晶面、晶面族分別為晶向、晶面、晶面族分別為、（、（ ）、）、 晶向、晶面、晶面族分別為晶向、晶面、晶面族分別為、（、（111）、）、111 晶向、晶面、晶面族分別為晶向、晶面、晶面族分別為、（、（100）、）、100 X X X Y Y Y Z Z Z 1 1 1 -2 -2 B 4 A C D E F G (a) (b) (c)122122122晶向的表示方法晶向的表示方法 對于同一個單晶硅晶體，不

7、同晶面上原子分布不同對于同一個單晶硅晶體，不同晶面上原子分布不同、所表現的物理所表現的物理性質不同，壓阻效應也不同。性質不同，壓阻效應也不同。 硅壓阻傳感器的硅芯片硅壓阻傳感器的硅芯片選擇選擇： 壓阻效應最大的晶向來布置電阻條。壓阻效應最大的晶向來布置電阻條。 常用的晶向為常用的晶向為、三個晶向。三個晶向。 通常在這三個晶向上擴散電阻有最大壓阻系數。通常在這三個晶向上擴散電阻有最大壓阻系數。 8.3 8.3 壓阻系數壓阻系數 應力作用在單晶硅上，由于壓阻效應，硅晶體的電阻發生變化。電應力作用在單晶硅上，由于壓阻效應，硅晶體的電阻發生變化。電阻的相對變化與應力的關系：阻的相對變化與應力的關系：

8、式中式中 s sl 縱向應力；縱向應力； s st 橫向應力；橫向應力； s ss 與縱向應力和橫向應力垂直的應力。與縱向應力和橫向應力垂直的應力。 p pl 縱向壓阻系數；縱向壓阻系數； p pt 橫向壓阻系數；橫向壓阻系數； p ps 與縱向和橫向垂直的壓阻系數。與縱向和橫向垂直的壓阻系數。 s ss比比s st 、s sl 小很多，一般略去。小很多，一般略去。 p pl表示應力作用方向與通過壓阻元件的電流方向一致，表示應力作用方向與通過壓阻元件的電流方向一致，p pt 表示應力作用的表示應力作用的方向與通過壓阻元件的電流方向垂直。方向與通過壓阻元件的電流方向垂直。ssttllspspsp

9、RR 當硅晶體的晶軸與立方晶體晶軸有偏離時，電阻的變化率表示為當硅晶體的晶軸與立方晶體晶軸有偏離時，電阻的變化率表示為 在此情況下，式中的在此情況下，式中的p pl、p pt 值可用值可用p p11、p p12、p p44表示為表示為 式中式中 p p11、p p12、p p44分別為壓阻元件的縱向、橫向及剪切向壓阻系數，是分別為壓阻元件的縱向、橫向及剪切向壓阻系數，是 硅、鍺之類半導體材料獨立的三個壓阻系數。硅、鍺之類半導體材料獨立的三個壓阻系數。 l1 、m1 、n1 分別為壓阻元件縱向應力相對于立方晶軸的方向余弦；分別為壓阻元件縱向應力相對于立方晶軸的方向余弦； l 2 、m2 、n2

10、分別為壓阻元件橫向應力相對于立方晶軸的方向余弦分別為壓阻元件橫向應力相對于立方晶軸的方向余弦； ttllspspRR21212121212144121111l2nmlnmlppppp22212221222144121112tnnmmllppppp 單晶硅的晶面雖然很多，但是制作壓力傳感器，總是在某一晶面上選單晶硅的晶面雖然很多，但是制作壓力傳感器，總是在某一晶面上選擇兩個互相垂直的晶向作為坐標軸，也就是說，擴散電阻要么垂直于擇兩個互相垂直的晶向作為坐標軸，也就是說，擴散電阻要么垂直于X軸，要么垂直于軸，要么垂直于 Y軸，。軸，。 實驗證明，在（實驗證明，在（100）晶面上有最大的壓阻系數，）晶

11、面上有最大的壓阻系數， 對于對于P型硅來講，其最大壓阻系數為：型硅來講，其最大壓阻系數為： p p1= p pt p p44/2 P型硅縱橫向壓阻系數其絕對值相等。型硅縱橫向壓阻系數其絕對值相等。 對于對于N型硅來講，其最大壓阻系數為：型硅來講，其最大壓阻系數為： N型硅縱橫向壓阻系數大小相等。型硅縱橫向壓阻系數大小相等。 R1 R2 Y (r ,s ,t) X (h , k , l)11tl41ppp 8.5 8.5 壓阻式傳感器的結構與設計壓阻式傳感器的結構與設計 8.5.1 8.5.1 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器常采用一種周邊固支壓阻式壓力傳感器常采用一種周邊固支

12、圓形杯膜片圓形杯膜片結構結構的的擴散型壓阻芯片擴散型壓阻芯片. .(a)(b)引線硅環高壓腔低壓腔硅膜片 L 2R h 2r b 0.635R(c) 0.812R r 1擴散電阻條值及位置的確定擴散電阻條值及位置的確定 在在晶向的晶向的N型圓形硅膜片上，沿型圓形硅膜片上，沿與二晶與二晶向利用擴散的方法向利用擴散的方法擴散出四個擴散出四個P型電阻型電阻。ttlrttllrpspspsps RR R r 擴 散 電 阻 條 - trltttlltpspspsps RR二個徑向電阻變化率：二個徑向電阻變化率：二個衡向電阻變化率：二個衡向電阻變化率： 在在 晶向，縱向和橫向壓阻分別系數為晶向，縱向和橫

13、向壓阻分別系數為在在晶向，縱向和橫向壓阻系數為晶向，縱向和橫向壓阻系數為 11044441211l2121ppppp44441211t2121ppppp44441211l2121ppppp44441211t2121pppppp 1832244rhprRRp 1832244thprRR 作出作出 和和 與與r 的關系曲線，如圖所示。的關系曲線，如圖所示。r愈大時，愈大時， 與與 的數值的數值 愈大，所以最好將愈大，所以最好將四個擴散電阻放在膜片有效面積邊緣處四個擴散電阻放在膜片有效面積邊緣處，可獲得較高的靈敏，可獲得較高的靈敏度。度。r RRtr RRRRrRRtRR 244813hrPp -2

14、44813hrPp t RRtRR r RRrRR RR tRR縱向和橫向縱向和橫向的電阻變化率是大小相同的。的電阻變化率是大小相同的。 2兩種常用的壓阻式壓力傳感器的設計方法兩種常用的壓阻式壓力傳感器的設計方法 設計方案一：設計方案一： 這種設計方法是將四個電阻沿二晶向擴散在這種設計方法是將四個電阻沿二晶向擴散在rI = 0.812r處。這時因處。這時因s st = 0，只有只有s sr存在，存在， 得到得到 這種方法設計的這種方法設計的電阻相對變化率的數值顯然要小于邊沿擴散的類型電阻相對變化率的數值顯然要小于邊沿擴散的類型，大約為大約為1/3左右。左右。lrrps RRtrtps RRr4

15、4r21sp RRr44t21sp RR 設計方案二：設計方案二： 同理在同理在r = 0.635R處，處，s s r = 0，只有，只有s s t存存在，其電阻的相對變化率的計算表達式與在，其電阻的相對變化率的計算表達式與r = 0.812R時相同，只不過表達式中的時相同，只不過表達式中的s s r換為換為s s t（r = 0.635R 的切向應力，因為在這一點徑的切向應力，因為在這一點徑向應力為零）。向應力為零）。 在壓阻式壓力傳感器設計中，為了得到較好的輸出線性度，擴散在壓阻式壓力傳感器設計中，為了得到較好的輸出線性度，擴散電阻上所受的應變不應過大，這可用限制硅膜片上最大應變不超過電阻

16、上所受的應變不應過大，這可用限制硅膜片上最大應變不超過40050010-6來保證。圓形平膜片上各點的應變可用下列二式來計來保證。圓形平膜片上各點的應變可用下列二式來計算算 膜片邊緣處切向應變等于零，徑向應變為最大，也就是說膜片上膜片邊緣處切向應變等于零，徑向應變為最大，也就是說膜片上最大應變發生在邊緣處。所以設計中，膜片邊緣處不應超過最大應變發生在邊緣處。所以設計中，膜片邊緣處不應超過40050010-6。 設計擴散電阻條時，為獲得較高靈敏度，要盡量靠近邊緣。設計擴散電阻條時，為獲得較高靈敏度，要盡量靠近邊緣。 根據這一要求，令膜片邊緣處的徑向應變等于根據這一要求，令膜片邊緣處的徑向應變等于4

17、0050010-6，滿，滿量程應力量程應力p已知時，利用式徑向應變公式就可求出硅膜片的厚度已知時，利用式徑向應變公式就可求出硅膜片的厚度h。 )3)(1 (832222rraEhp)(1(832222traEhp 8.5.2 8.5.2 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器 壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁，如圖所壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁，如圖所示。在其根部擴散出四個電阻，當懸臂梁自由端的質量塊示。在其根部擴散出四個電阻，當懸臂梁自由端的質量塊受有加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用，產生應力，使受有加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用，產生應力，使四個電阻阻值發生變化。四個電阻阻

18、值發生變化。擴 散 電 阻質 量 塊硅 梁基 座 h b l 8.6 8.6 壓阻式傳感器的測量電路及補償壓阻式傳感器的測量電路及補償 測量電路通常是采用測量電路通常是采用惠斯登電橋惠斯登電橋，電橋的電源既可采用恒壓源供電、，電橋的電源既可采用恒壓源供電、恒流源供電，下面分別討論。恒流源供電，下面分別討論。 8.6.1 8.6.1 恒壓源供電恒壓源供電 假設假設四個擴散電阻四個擴散電阻的起始阻值都相等，為的起始阻值都相等，為R。當有應力作用時，兩個電。當有應力作用時，兩個電 阻的阻值增加，增加量為阻的阻值增加，增加量為 R，兩個電阻的阻值減小，減小量為，兩個電阻的阻值減小，減小量為- R；另外

19、；另外 由于溫度影響，使每個電阻都有由于溫度影響，使每個電阻都有 RT的變化量。的變化量。 電橋的輸出：電橋的輸出： 整理后得整理后得 TTTTTTRRRRRRRRRURRRRRRRRRUUU)()(BDscTRRRUUsc R -R +RT R +R +RT R +R +RT R +R +RT UUscAB C D 如如 RT = 0，即沒有溫度影響，則，即沒有溫度影響，則 說明：說明： 電橋輸出與電橋輸出與 R/R成正比，也就是與被測量成正比；成正比，也就是與被測量成正比； 電橋輸出與電橋輸出與U成正比，這就是說電橋的輸出與電源電壓成正比，這就是說電橋的輸出與電源電壓的大小與精度都有關。的

20、大小與精度都有關。 如如 RT0時，則時，則Usc與與 RT有關，而且與溫度的關系是有關，而且與溫度的關系是非線性的，所以用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。非線性的，所以用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。RRUUsc 8.6.2 8.6.2 恒流源供電恒流源供電 假設電橋兩個支路的電阻相等，即假設電橋兩個支路的電阻相等，即 故有故有 因此電橋的輸出為因此電橋的輸出為 整理后得整理后得 電橋的輸出與電阻的變化量成正比，即與被測量成正比；電橋的輸出與電阻的變化量成正比，即與被測量成正比； 電橋的輸出與電源電流成正比，即輸出與恒流源的供給電流大小電橋的輸出與電源電流成正比，即輸出與恒流源的供給電

21、流大小與精度有關，與精度有關， 電橋的輸出不受溫度影響，這是恒流源供電的優點。電橋的輸出不受溫度影響，這是恒流源供電的優點。 使用恒流源供電時，最好一個傳感器配備一個恒流源。使用恒流源供電時，最好一個傳感器配備一個恒流源。TRRRR2ADCABCIII21ADCABC)(21)(21BDSCTTRRRIRRRIUURIUsc U Usc R +R +RT R -R +RTAB C D IR +R +RTR -R +RT 8.6.3 8.6.3 減小在擴散工藝中的溫度影響減小在擴散工藝中的溫度影響 1.將四個電橋電阻盡量集中于一個小的范圍將四個電橋電阻盡量集中于一個小的范圍 在擴散電阻形成的工藝

22、過程中，光刻、擴散等工藝會引在擴散電阻形成的工藝過程中，光刻、擴散等工藝會引 起電起電阻條寬度、雜質濃度發生偏差。這就導致各電阻值和溫度系數不相阻條寬度、雜質濃度發生偏差。這就導致各電阻值和溫度系數不相等，造成電橋的不平衡等，造成電橋的不平衡, , 電橋的輸出特性就會受到溫度的影響。電橋的輸出特性就會受到溫度的影響。 5 7 8 6 1 4 3 2 1 2 3 4 5 6 Usc 7 8 2.采用復合電阻條減少溫度影響采用復合電阻條減少溫度影響 如圖所示，在（如圖所示，在（100100）面上配置了）面上配置了8 8個電阻條，相互對個電阻條，相互對它們自己中心對稱，連成電阻橋。它們自己中心對稱，

23、連成電阻橋。 電橋的每一臂都由對中心點對稱的兩個電阻構成復合電橋的每一臂都由對中心點對稱的兩個電阻構成復合電阻，即電阻，即1 1和和2 2，3 3和和4 4，5 5和和6 6，7 7和和8 8。使得電橋每一臂電阻使得電橋每一臂電阻值和溫度系數都可做得很接近值和溫度系數都可做得很接近。所以電橋零點不隨溫度變所以電橋零點不隨溫度變化，也沒有零點漂移，表現出良好的溫度特性。化，也沒有零點漂移，表現出良好的溫度特性。 5 7 8 6 1 4 3 2 1 2 3 4 5 6 Usc 7 8 8.7 8.7 壓阻式傳感器的應用壓阻式傳感器的應用 特點：特點：頻響高、體積小、精度高、測量電路與傳感器一體化等頻響高、體積小、精度高、測量電路與傳感器一體化等特點。特點。 應用：應用：壓阻式傳感器相當廣泛地應用在航天、航空、航海、石壓阻式傳感器相當廣泛地應用在航天、航空、航海、石油、化工、動力機械、生物醫學、氣象、地質地震測量等各個領域。油、化工、動力機械、生物醫學、氣象、地質地震測量等各個領域。 1.生物醫學上的應用生物醫學上的應用 小尺寸，高輸出和穩定可靠的性能，使得壓阻式傳感器成為生小尺寸，高輸出和穩定可靠的性能，使得壓阻式傳感器成為生物醫學上理想的測試手段。物醫學上理想的測試手段。 2 1 4 32 3 41 5 8 6 7 p 1 3 4 2 2.2.爆炸壓力和沖