07傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器課件

07傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器11/27/2023107傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿7.1晶體的晶面、晶向壓阻傳感器用單晶半導(dǎo)體材料制作單晶體是指在同一塊材料中原子基本上按照同一種方式排列的晶體。晶體中原子排列非常有規(guī)則：對稱性和周期性晶體中不同方向原子排列方式不同，所以性質(zhì)也不同，這就是各向異性需要有共認(rèn)的方法，將晶體中不同方向和面（晶面）表示出來，以便根據(jù)需要選用晶面或晶向11/27/2023207傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿如圖7.1所示，將坐標(biāo)軸確定后，將要表示晶面在軸上截距的倒數(shù)比取整數(shù)比就可表示晶面，與晶面垂直的方向稱晶向11/27/2023307傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿圖7.2是單晶體幾組重要的晶面與晶向11/27/2023407傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿7.2擴散型壓阻式傳感器隨著微電子技術(shù)發(fā)展，將集成電路工藝用于制作半導(dǎo)體集成力（壓力）傳感器目前基本不用硅應(yīng)變片作壓力傳感器，而是利用半導(dǎo)體電阻率（擴散電阻）隨應(yīng)力變化的性質(zhì)直接制作半導(dǎo)體器件利用集成工藝制作擴散電阻，并將擴散電阻直接制成敏感元件（不用粘貼硅片）11/27/2023507傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿制作的半導(dǎo)體基片，受到外界振動、壓力、加速度等作用將發(fā)生變形，其內(nèi)部應(yīng)力變化，擴散電阻的阻值也隨之而變根據(jù)電阻值的變化大小就可以確定振動、壓力和加速度的大小。這種傳感器稱擴散型壓阻傳感器，更為一般的名字是固態(tài)壓力傳感器目前已有壓阻式的加速度傳感器與不同量程的壓阻式壓力傳感器11/27/2023607傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿由于半導(dǎo)體電阻率會受溫度的影響，所以這種壓阻式力傳感器需要溫度補償，目前溫度補償技術(shù)比較成熟隨著集成化技術(shù)的速猛發(fā)展，這類傳感器將會發(fā)展成力傳感器的主流，而且還可能智能化11/27/2023707傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿7.3壓阻式傳感器原理與設(shè)計7.3.1壓阻效應(yīng)對于條形金屬與半導(dǎo)體其電阻的表示式為當(dāng)受外力作用而使形狀變化后的電阻相對變化為11/27/2023807傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿對金屬而言，電阻變化率d

/

很小，往往略去不計，所以電阻的變化是由應(yīng)變所致電阻變化為金屬的

=0.5，Ks～2對半導(dǎo)體來說，電阻變化率d

/

很大，通常表示為d

/==E。11/27/2023907傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿上式中

稱壓阻系數(shù)，E為彈性模量，

為應(yīng)力，

應(yīng)變。

E

在半導(dǎo)體中壓力引起電阻變化E（50-150），一般比金屬Ks（2）大幾十倍甚至上百倍引起半導(dǎo)體電阻隨壓力變化的原因不是材料的幾何形狀的變化，而是壓力引起電阻率的變化，故稱壓阻效應(yīng)這是一種物性型傳感器在半導(dǎo)體中電阻變化可表示為11/27/20231007傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿為什么半導(dǎo)體的電阻率會隨壓力變化？由于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它有幾個能谷（多能谷能帶模型）當(dāng)力作用于硅晶體時，晶體的晶格發(fā)生形變，它使載流子產(chǎn)生一個能谷到另一個能谷的散射，這時載流的遷移率會發(fā)生變化，這會導(dǎo)致硅的電阻變化e為電子電荷，N為載流子

濃度，

稱遷移率11/27/20231107傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿壓力會引起載流子數(shù)目和遷移率的改變，電阻率隨之變化由于晶體和各向異性，電阻率隨壓力的變化會隨單晶的取向不同而不同，故Si的壓阻效應(yīng)與晶體取向有關(guān)。所以切各種不同的晶面來制作壓阻芯片，并在芯片的不同方向上擴散電阻條11/27/20231207傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿7.3.2壓阻系數(shù)1.定義壓阻系數(shù)用表示，其定義為由于晶體的各向異性，要用張量表示這個張量矩陣是6行6列共36個元素，由于晶體的對稱性，獨立的數(shù)目少于36，如單晶硅就只有3個11/27/20231307傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿單晶硅的壓阻系數(shù)為如果坐標(biāo)軸與晶軸一致

硅晶體的電阻率可表示為

l為縱向應(yīng)力，

t為橫向應(yīng)力，

s為與

l、

t垂直方向的應(yīng)力；

l表示應(yīng)力作用方向與電流方向一致的壓阻系數(shù)，

t表示應(yīng)力作用方向與電流方向垂直時的壓阻系數(shù)，

s

s通常很小11/27/20231407傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿電阻變化可表示為

l、t可由縱向壓阻系數(shù)

11、橫向壓阻系數(shù)

12和剪切壓阻系數(shù)

44按照分式P103（7.10）計算。11/27/20231507傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿2.影響壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)的因素較多，由于晶體的各向異性不同的晶面與晶向的壓阻系數(shù)有明顯的差別表面雜質(zhì)濃度與溫度也會對它有影響。圖7.6為壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度的關(guān)系曲線由圖可見p型硅的壓阻系數(shù)明顯大于n型硅11/27/20231607傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿表面雜質(zhì)濃度低時，溫度增加壓阻系數(shù)下降得很快，而表面雜質(zhì)濃度較高時壓阻系數(shù)受溫度的影響較小為了使靈敏度較高，溫漂小，在確定半導(dǎo)體材料的型號和摻雜濃度方面要從多方面考慮11/27/20231707傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿3.硅不同晶面上的壓阻系數(shù)（1）（100）晶面上的壓阻系數(shù)圖7.4是p型Si（100）晶面上不同晶向的壓阻系數(shù)可看出只有四個對稱晶向壓阻系數(shù)最大故這是傳感器制作的最佳方向。11/27/20231807傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿（2）（110）晶面內(nèi)的壓阻系數(shù)在（110)面上橫向壓阻系數(shù)小于縱向。圖7.5為（110）晶面內(nèi)的壓阻系數(shù)圖。此圖中內(nèi)圈為橫向壓阻系數(shù)當(dāng)縱向壓阻系數(shù)最大此晶面中還有值得注意的一對晶向11/27/20231907傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿11/27/20232007傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿（3）（111）晶面內(nèi)的壓阻系數(shù)根據(jù)計算，在晶面上的壓阻系數(shù)與方向無關(guān)對于p型硅因此制作電阻條時不需定向，但靈敏度較低；在（111）面上腐蝕速率是各向同性的，在制作時便于加工11/27/20232107傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿7.3.3壓阻式傳感器的設(shè)計與制作1.半導(dǎo)體應(yīng)變片早期的壓阻式傳感器類似于金屬應(yīng)變片，利用它的高靈敏度來工作，稱半導(dǎo)體應(yīng)變片。11/27/20232207傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿2.壓阻式壓力傳感器中擴散電阻的設(shè)計目前的壓阻式壓力傳感器用微電子工藝，將感應(yīng)區(qū)制作在同一片硅片上硅有良好的物理性能，作為彈性元件，電阻直接擴散而成，響應(yīng)速度快，可靠性高可將溫度補償、處理和測量電路等同時集成在硅片上，向集成化、微型化和智能化方面發(fā)展下面簡要介紹主要結(jié)構(gòu)上電阻的分布情況11/27/20232307傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿（1）圓平膜片的設(shè)計外力作用在圓形硅環(huán)膜片應(yīng)力分布如圖7.8所示。中間正應(yīng)力最大，應(yīng)該將擴散電阻放在這些位置以增大靈敏度11/27/20232407傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿圖7.9是在（100）圓膜上擴散電阻的分布左圖四臂電阻集中分布，擴散電阻阻值容易控制，溫度系數(shù)也能一致，便于溫度補償右圖電阻靠邊，應(yīng)力最大易于測量，但一致性不易控制在壓阻傳感器中受力發(fā)生變化的是電阻的大小所以仍用電橋進行信號轉(zhuǎn)換11/27/20232507傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿圖7.10是（110）圓膜上擴散電阻的兩種分布情況左圖一對中心，一對邊緣，計算方便右圖的兩對電阻沿不同方向，靈敏度高，但設(shè)計和制作均有一定難度兩種方案均可獲最高靈敏度11/27/20232607傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿（2）方形平膜片設(shè)計方形邊長a等于圓膜片直徑D時，邊應(yīng)力比圓片大60%因此會有較高的靈敏度。圖7.11為兩促典型的（100）矩形膜上的電阻分布實際上圓形有最大面積利用率加工也比較方便，在壓阻式傳感器中通常不采用方形結(jié)構(gòu)11/27/20232707傳感器及應(yīng)用第7章壓阻式傳感器講稿（3）其它膜片設(shè)計其它還有E型膜片、雙島結(jié)構(gòu)膜和梁結(jié)構(gòu)膜等。見圖7.12-圖7.1511