4生物醫(yī)學(xué)傳感電阻傳感器2課件

上次課內(nèi)容回顧彈性敏感元件2.應(yīng)變片電阻傳感器的工作原理

應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片的主要特性3.電橋轉(zhuǎn)換電路和溫度補(bǔ)償原理4.應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用

第二節(jié)壓阻式傳感器FFL

Lr

r材料阻值變化：幾何形狀變化的影響應(yīng)變效應(yīng)壓阻效應(yīng)電阻率發(fā)生變化的影響一、壓阻效應(yīng)

壓阻效應(yīng)：當(dāng)固體材料在某一方向承受應(yīng)力時(shí)，其電阻率（或電阻）發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻相對(duì)變化量：式中：π——壓阻系數(shù)；E——彈性模量；

σ——應(yīng)力；ε——應(yīng)變。對(duì)半導(dǎo)體材料：mmsKKK100~50=對(duì)金屬材料：壓阻式傳感器分類體型壓力傳感器：半導(dǎo)體應(yīng)變式固態(tài)壓阻式傳感器（擴(kuò)散型壓阻傳感器）：應(yīng)變電阻與硅基片一體化固態(tài)壓阻式傳感器的特點(diǎn)靈敏度高分辨率高體積小、重量輕、頻率響應(yīng)高溫度誤差大天然形成的石英晶體二、晶向的表示方法

C

ZOBAXY11晶體晶面的截距表示硅為立方晶體結(jié)構(gòu)單位晶面晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關(guān)的規(guī)定：晶面符號(hào)為(hkl)晶面全集符號(hào)為{hkl}

晶向符號(hào)為[hkl]晶向全集符號(hào)為〈hkl〉h、k、l稱為密勒指數(shù)

C

ZOBAXY11分析立方晶體中的晶面、晶向(110)[110][100](100)(111)[111][001][100][010][110][100][001]ZYX單晶硅內(nèi)幾種不同晶向與晶面（b）（a）

對(duì)立方晶系（x=y=z,x⊥y⊥z),面指數(shù)為（hkl)的晶面與密勒指數(shù)為[hkl]的晶向彼此垂直。X【例】

晶向、晶面分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：xy111zzxy4-2-2三、壓阻系數(shù)1、單晶硅的壓阻系數(shù)六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量：六個(gè)獨(dú)立的電阻率的變化率：電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系:分析:剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)正向應(yīng)力不可能產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng)剪切壓阻系數(shù)相等正向壓阻系數(shù)相等橫向壓阻系數(shù)相等分別為縱向、橫向和剪切方向的壓阻系數(shù)分量壓阻系數(shù)矩陣:對(duì)P型硅(摻雜三價(jià)元素）：π11、π12≈0，只考慮π44

：對(duì)N型硅(摻雜五價(jià)元素）：π44≈0

，π12≈

-1/2π11，晶體導(dǎo)電類型電阻率（Ω.m)π11π12π44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6壓阻系數(shù)（×10-11m2/N）pQ2、任意方向（P方向）電阻變化σ//σ⊥123σ∥：縱向應(yīng)力σ⊥

：橫向應(yīng)力π∥：縱向壓阻系數(shù)π⊥:橫向壓阻系數(shù)將各個(gè)壓阻系數(shù)向P、Q方向投影:如果已知：(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦關(guān)于方向余弦某晶向[hkl](h,k,l是密勒指數(shù)）的方向余弦為：[例1]：計(jì)算（100）晶面內(nèi)[011]晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù)。（100）晶面內(nèi)[011]晶向的橫向?yàn)閇011]晶向yxz設(shè)[011]與[011]晶向的方向余弦分別為：

l1、m1、n1,l2、m2、n2對(duì)P型硅(摻雜三價(jià)元素）：只考慮π44對(duì)N型硅(摻雜五價(jià)元素）：π12≈

-1/2π11

[例2]：計(jì)算（110）晶面內(nèi)[110]晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù)。設(shè)（110）晶面內(nèi)晶向的一般形式為[hkl],則：?。?10）晶面內(nèi)[110]晶向的橫向?yàn)閇001]設(shè)[110]與[001]晶向的方向余弦分別為：l1、m1、n1,l2、m2、n23、影響壓阻系數(shù)的因素

擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度NS/cm-3P型Si(π44)N型Si(-π11)

π11或π44/

×10-11m2/NT=27℃壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)都要減小解釋：n：載流子濃度e：載流子所帶電荷μ：載流子遷移率ρ：電阻率Ns↑→雜質(zhì)原子數(shù)多→載流子多→n↑→ρ↓雜質(zhì)濃度Ns↑→n↑→在應(yīng)力作用下ρ的變化更小△ρ↓→△ρ/ρ↓表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降快表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降慢解釋：T↑→載流子獲得的動(dòng)能↑→運(yùn)動(dòng)亂→μ↓→ρ↑↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大，μ變化較小→π變化小Ns小，μ變化大→π變化大Ns大：π受溫度影響小高濃度擴(kuò)散，使p-n結(jié)擊穿電壓↓→絕緣電阻↓→漏電→漂移→性能不穩(wěn)定四、固態(tài)壓阻器件1、器件的結(jié)構(gòu)原理１２３４５７６1N-Si膜片2P-Si導(dǎo)電層粘貼劑硅底座引壓管Si保護(hù)膜7引線

當(dāng)硅單晶在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，如圖(a)所示，其阻值的相對(duì)變化為：

力敏電阻受力情況示意圖（a）[001][100][010]πl(wèi)σlπtσtR

徑向電阻Rr切向電阻Rt

πtσrπl(wèi)σrπtσtπl(wèi)σtRrRt（b）

若圓形硅膜片周邊固定，在均布?jí)毫Φ淖饔孟?，?dāng)膜片位移遠(yuǎn)小于膜片厚度時(shí)，其膜片的應(yīng)力分布為：

式中r、x、h——膜片的有效半徑、計(jì)算點(diǎn)半徑、厚度（m）；μ——泊松系數(shù)，硅取μ=0.35；P——壓力（Pa）。平膜片的應(yīng)力分布圖σtσrσrσtσtσr3P4rh23Pμ4rh23P(1+μ)8rh200.51x=0.812rx=0.635r方案一：既利用縱向壓阻效應(yīng)又利用橫向

壓阻效應(yīng)

在[001]晶向的N型硅膜片上，沿[110]與[110]兩晶向擴(kuò)散四個(gè)P型電阻條xyz[110][110]1、在[110]晶向：擴(kuò)散兩個(gè)徑向P型電阻2、在[110]晶向：擴(kuò)散兩個(gè)切向P型電阻所以：r電阻變化與r的關(guān)系：如：擴(kuò)散在0.812r處，此時(shí)σt=0方案二：只利用縱向壓阻效應(yīng)

在[110]晶向的N型硅膜片上，沿[110]晶向在0.635r之內(nèi)與之外各擴(kuò)散兩個(gè)P型電阻條，[110]的橫向?yàn)閇001]。[110][001]R1R2R3R4[110]方向方向余弦：[001]方向方向余弦：平膜片的應(yīng)力分布圖σtσrσrσtσtσr3P4rh23Pμ4rh23P(1+μ)8rh200.51內(nèi)、外電阻值的變化率應(yīng)為：即可組成差動(dòng)電橋。式中、——內(nèi)、外電阻所受徑向應(yīng)力的平均值——內(nèi)外電阻的相對(duì)變化。設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以使得:=于是有1、恒壓源供電

R1+△R1R2-△R2UoutR3-△R3R4+△R4

五、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償電橋輸出為：當(dāng)△Rt=0時(shí)：△Rt≠0時(shí)，Uout=f(△t)是非線性關(guān)系，恒壓源供電不能消除溫度影響。2、恒流源供電BR1+△R1R2-△R2UoutR3-△R3R4+△R4ACD

可見(jiàn)，電橋輸出與電阻變化成正比，即與被測(cè)量成正比，與恒流源電流成正比，即與恒流源電流大小和精度有關(guān)。但與溫度無(wú)關(guān)，因此不受溫度的影響。3.零點(diǎn)溫度補(bǔ)償

R2R4R1R3USC溫度漂移的補(bǔ)償RpBCDARSEDi4、靈敏度溫度漂移漂移的原因：壓阻系數(shù)隨溫度變化引起溫度Tπ44

溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大，說(shuō)明傳感器的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。補(bǔ)償方法1：改變電源電壓的方法因?yàn)槎O管PN結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度每升高1℃時(shí)，正向壓降約減小(1.9～2.5)mV。R4R2R1UoutR3方法2：串聯(lián)正向二極管壓阻式傳感器常用補(bǔ)償方法硬件線路補(bǔ)償軟件補(bǔ)償專用補(bǔ)償芯片補(bǔ)償

MCA7707是一種采用CMOS工藝的模擬傳感信號(hào)處理器。它通常被應(yīng)用于壓阻式壓力傳感器的校正和溫度補(bǔ)償。MPX4100A系列集成硅壓力傳感器

應(yīng)用——三角翼表面壓力測(cè)量壓阻式加速度傳感器

基座lbh[110][110]m：質(zhì)量塊的質(zhì)量(kg)b,h：懸臂梁的寬度和厚度（m）l：質(zhì)量塊的中心至懸臂梁根部的距離（m）a：加速度(m/s2)微機(jī)電系統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)1)