壓阻式傳感器

第13章壓阻式傳感器1）壓阻式傳感器的工作原理—半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)2）壓阻系數(shù)、阻值變化的計算a、壓阻系數(shù)與任意方向阻值變化的計算b、晶向與密勒指數(shù)3）典型壓阻式傳感器原理分析4）溫度漂移及其補償主要內(nèi)容：1§13.1概述1）壓阻效應(yīng)：當(dāng)固體材料在某一方向承受應(yīng)力時，其電阻率（或電阻值）發(fā)生變化的現(xiàn)象。2）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體（單晶硅）晶片受到外力作用，產(chǎn)生肉眼無法察覺的極微小應(yīng)變，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子能級狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率產(chǎn)生劇烈的變化，表現(xiàn)在由其材料制成的電阻器阻值發(fā)生極大變化。3）固態(tài)壓阻傳感器：利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成電路制作等一些特殊工藝，在單晶硅片上沿特定晶向生成電阻，組成電橋，并利用硅的力學(xué)特性，在同一硅片上進(jìn)行特殊的機(jī)械加工，制成集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換于一體的力學(xué)量傳感器。2壓阻式傳感器分類粘貼型壓阻傳感器：半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片固態(tài)壓阻傳感器固態(tài)壓阻傳感器（擴(kuò)散型壓阻傳感器）：應(yīng)變電阻與硅基片一體化3應(yīng)用情況1）開始研制于1960s。以氣、液壓力為檢測對象，與膜盒式、電感式、電容式、金屬應(yīng)變片式及半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器比較，技術(shù)上有明顯優(yōu)勢，目前仍是壓力測量領(lǐng)域主要產(chǎn)品。2）由于各自的特點及局限性，它雖然不能全面取代上述各種力學(xué)量傳感器，但是，從八十年代中期以后，在傳感器市場上占有很大比例，并與壓電式幾乎平分了加速度傳感器的國際市場。3）目前，在以大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機(jī)軟件技術(shù)介入為特色的智能傳感器技術(shù)中，由于它能做成單片式多功能復(fù)合敏感元件構(gòu)成智能傳感器，倍受歡迎。45壓阻效應(yīng)：6壓阻效應(yīng)的原因:應(yīng)力作用晶格變形能帶結(jié)構(gòu)變化載流子濃度和遷移率變化對半導(dǎo)體：7壓阻式傳感器的特點靈敏度高:硅應(yīng)變電阻的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片高50～100倍，故相應(yīng)的傳感器靈敏度很高，一般滿量程輸出為100mv左右。因此對接口電路無特殊要求，應(yīng)用成本相應(yīng)較低。分辨率高:小量程對應(yīng)高分辨率。體積小、重量輕、頻率響應(yīng)高:芯體采用集成工藝，無傳動部件，體積小，重量輕。小尺寸芯片加上硅極高的彈性系數(shù)，敏感元件的固有頻率很高。在動態(tài)應(yīng)用時，動態(tài)精度高，工作頻帶寬，合理選擇設(shè)計傳感器外型，使用帶寬可以從靜態(tài)至100千赫茲。受溫度影響大:須溫度補償、或恒溫使用。由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，四個應(yīng)變電阻的一致性可做的很高，加之計算機(jī)自動補償技術(shù)的進(jìn)步，目前硅壓阻傳感器的零位與靈敏度溫度系數(shù)已可達(dá)10-5/℃數(shù)量級,即在壓力傳感器領(lǐng)域已超過的應(yīng)變式傳感器的水平。8§13.2晶向的表示方法1)半導(dǎo)體單晶硅是各向異性材料;2)硅是立方晶體，按晶軸建立座標(biāo)系;3)晶面：表示原子或離子的分布形態(tài)。原子或離子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：單晶硅的受力或者電阻測量取向，為晶面的法線方向?；靖拍睿篨(1)Y(2)Z(3)9晶面表示方法zxyrst截距式：法線式：r,s,t－x,y,z軸的截距cosα,cosβ,cosγ－法線的方向余弦法線長度10密勒指數(shù)三個沒有公約數(shù)的整數(shù)密勒指數(shù)密勒指數(shù)：截距的倒數(shù)化成的三個沒有公約數(shù)的整數(shù)。(方向余弦比的整數(shù)化表示）11表示方式表示晶面表示晶向（逗號可以用空格代替）表示晶面簇對立方晶體來說，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l)晶面的法線方向；{h,k,l}晶面簇的晶面都與（h,k,l)晶面平行。12例：晶向、晶面、晶面族分別為：晶向、晶面、晶面族分別為：xy111zzxy4-2-213例：（特殊情況）xyz14判斷兩晶面垂直兩晶向：A<h1,k1,l1>與B<h2,k2,l2>:垂直：不垂直：15求與兩晶向都垂直的晶向兩晶向：A<h1,k1,l1>與B<h2,k2,l2>:晶向C<h3,k3,l3>與A、B都垂直，則:16例：求與兩晶向都垂直的第三晶向已知：已知：1718§13.3壓阻系數(shù)一、單晶硅的壓阻系數(shù)312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ1319材料阻值變化六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：廣義：20六個獨立的應(yīng)力分量：六個獨立的電阻率的變化率：正應(yīng)力剪應(yīng)力21電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系22剪切應(yīng)力不產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)正應(yīng)力不產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)分析23剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力作用平面方向產(chǎn)生壓阻效應(yīng)24分析正向壓阻系數(shù)相等（正立方晶體、對稱性）橫向壓阻系數(shù)相等剪切壓阻系數(shù)相等25壓阻系數(shù)矩陣獨立的壓阻系數(shù)分量縱向壓阻系數(shù)：π11橫向壓阻系數(shù)：π12剪切壓阻系數(shù)：π44注意：相對三個晶軸方向而言！26壓阻系數(shù)矩陣和壓電矩陣的比較縱向壓阻系數(shù)：π11橫向壓阻系數(shù)：π12剪切壓阻系數(shù)：π44壓電矩陣：壓阻矩陣：壓電系數(shù)石英：d11d12d14d25d26壓電陶瓷：d31d32d33d15d2427下面要思考解決的問題：1、薄片擴(kuò)散硅和硅立方晶體的關(guān)系是什么？2、擴(kuò)散硅的晶向如何確定？3、如何通過密勒指數(shù)計算壓阻傳感器的電阻率的變化？4、P型硅和N型硅的區(qū)別是什么？5、壓阻系數(shù)受哪些因素的影響？28二、任意方向（P方向）電阻條電阻變化P（σ//）Q(σ⊥)123Iσ∥：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)注意：晶軸方向。單晶硅擴(kuò)散硅擴(kuò)散條為特殊的2向應(yīng)力狀態(tài)！29將各個壓阻系數(shù)向P、Q方向投影(l1,m1,n1):P方向的方向余弦(l2,m2,n2):Q方向的方向余弦30硅壓阻系數(shù)的典型數(shù)據(jù)1）對P型硅：π11、π12≈0，只考慮π44

2）對N型硅：π44≈0

，π12≈

-1/2π11請注意：認(rèn)為某個系數(shù)近似為零只是用于分析設(shè)計，抓主要矛盾！??！31硅壓阻系數(shù)確定路線：取正六面體單晶硅根據(jù)材料確定獨立壓阻系數(shù)分量π11、π12、π44

確定待求方向的方向余弦取晶向為參考坐標(biāo)方向計算縱向、橫向壓阻系數(shù)32關(guān)于方向余弦某密勒指數(shù)為x,y,z的晶向的方向余弦為：33例1：計算（100）晶面內(nèi)〈011〉晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù)。zxy（011）（100）34解：設(shè)（100）晶面內(nèi)〈011〉晶向的橫向為C，則：zxy（011）（100）35設(shè)〈011〉與〈011〉晶向的方向余弦分別為：l1、m1、n1,和l2、m2、n2，所以：3637例2：計算（110）晶面內(nèi)〈110〉晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù)。zxy（110）<110>38解：做法1：（110）晶面內(nèi)〈110〉晶向的橫向為C.取<001>zxy（110）<110><001>39設(shè)（110）晶面內(nèi)晶向的一般形式為〈hkl〉,則：（110）晶面內(nèi)〈110〉晶向的橫向為〈001〉做法2（根據(jù)規(guī)律試湊）：做點乘驗證正確40設(shè)〈110〉與〈001〉晶向的方向余弦分別為：l1、m1、n1,和l2、m2、n2所以：4142例3：做出P型硅（100）晶面內(nèi)縱向與橫向壓阻系數(shù)分布圖。解：設(shè)（100）晶面內(nèi)晶向的一般形式為〈hkl〉,則：43設(shè)P與Q的方向余弦為：l1、m1、n1,l2、m2、n2，根據(jù)圖中P、Q的方向，有：123αPQ4445壓阻系數(shù)對2軸（<010>晶向）和3軸（<001>晶向）對稱。壓阻系數(shù)對<011>和<011>晶向?qū)ΨQ。壓阻系數(shù)在<011>和<011>晶向最大。32<010><010><011><011><001><001><011><011>以極坐標(biāo)形式表示46表面雜質(zhì)濃度Ns（1/cm3)π11或π44三、影響壓阻系數(shù)大小的因素1、壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散雜質(zhì)濃度(1018~1021)增加，壓阻系數(shù)減小。P型Si（π44)N型Si（π11)47解釋：ρ：電阻率

n：載流子濃度e：載流子所帶電荷μ：載流子遷移率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↓→壓阻系數(shù)減小482、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系

溫度升高時，壓阻系數(shù)減小；

表面雜質(zhì)濃度增加時，溫度對壓阻系數(shù)的影響變小。Ns小Ns大溫度Tπ44解釋：T↑→載流子獲得的動能↑→運動紊亂程度↑→μ↓→ρ↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大:溫度引起μ變化較小→π變化小Ns小:溫度引起μ變化較大→π變化大49載流子濃度影響總結(jié)Ns比較大時：a.壓阻系數(shù)π受溫度影響小c.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b.Ns↑→π↓→靈敏度↓結(jié)論：綜合考慮靈敏度和溫度誤差，根據(jù)應(yīng)用條件適當(dāng)選擇載流子的濃度。50§13.4壓阻式傳感器一、壓阻式壓力傳感器為固定邊緣,硅膜片的周邊較厚,呈杯形,也稱為硅杯。硅膜片上的四個擴(kuò)散電阻接成電橋。硅邊的內(nèi)腔與被測壓力p相連,杯外與大氣相通，測量表壓；若杯外與另一壓力源相接,則可測壓差。51實物結(jié)構(gòu)52硅膜片的晶向選擇與擴(kuò)散電阻位置的確定1)膜片晶面(晶向)選擇：常用（001）、（110）、（110）等晶面(晶向)。2)電阻條位置的確定：電阻的變化符合測量電橋要求;電阻的變化量盡量大;一般制作方法：在某一晶面內(nèi)選擇兩個相互垂直的晶向擴(kuò)散電阻。53測量電橋R1+△R1R2-△R2USCUsrR3-△R3R4+△R454圓硅膜片的應(yīng)力/應(yīng)變分析σr/aσrσt0.6350.812σrσtCaution:電阻應(yīng)變式直接測量線應(yīng)變，而壓阻式電阻條直接測量的是正應(yīng)力！ahp55方案一：<110><110>在<001>晶向的N型硅膜片上，沿<110>與<110>二晶向擴(kuò)散四個P型電阻條。56晶向解釋：<110><110>xyz（001）（110）（110）(001)面平行于xoy面!。57在<110>晶向：擴(kuò)散兩個徑向電阻.<110>、<110>的方向余弦分別為：<110><110>58對于P型Si，π11、π12≈0，只考慮π44

<110><110>5960在<110>晶向：擴(kuò)散兩個切向電阻<110><110>6162在<110>晶向：擴(kuò)散兩個切向電阻在<110>晶向：擴(kuò)散兩個徑向電阻63r結(jié)論:將電阻擴(kuò)散到硅膜片的邊緣！64或擴(kuò)散在r=0.812a處，此時σt=0注意：為r=a處的2/3左右。65方案二：只利用縱向壓阻效應(yīng)在<110>晶向的園形硅膜片上，沿<110>晶向在0.635a之內(nèi)與之外各擴(kuò)散兩個P型電阻條，<110>的橫向為<001><110><001>R1R2R3R466在0.635a之內(nèi)σr為正，在0.635a之外σr為負(fù)，所以：67R1R2R3R4第二種布片方法6869傳感器典型結(jié)構(gòu)70三角翼表面氣體壓力測量71二、壓阻式加速度傳感器<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)懸臂梁單晶硅襯底采用（001）晶面，沿<110>與<110>晶向分別擴(kuò)散二個P型電阻條：基座lbh72在<110>晶向擴(kuò)散兩個P型電阻R1R2<110>晶向的壓阻系數(shù)：73在<110>晶向擴(kuò)散兩個P型電阻R3R4<110>晶向的壓阻系數(shù)：74歸納：75ζ=20.80.60.512345543210加速度傳感器幅頻特性76

它是一種慣性式傳感器。質(zhì)量塊3沿加速度a相反的方向運動（即相對于基座運動），使梁1發(fā)生形變，壓阻條2產(chǎn)生輸出信號，輸出信號的大小與加速度成正比。傳感器結(jié)構(gòu)77三、壓阻式傳感器的輸出1、恒壓源供電設(shè)：擴(kuò)散電阻起始阻值都為R，當(dāng)有應(yīng)力作用時，兩個電阻阻值增加，兩個減??；溫度變化引起的阻值變化為△Rt：R1+△R1R2-△R2USCR3-△R3R4+△R478電橋輸出為：當(dāng)△Rt=0時：△Rt≠0時，Usc=f(△t)是非線性關(guān)系恒壓源供電不能消除溫度影響。792、恒流源供電輸出與I成正比；輸出與溫度無關(guān)，不受溫度影響；精度要求不高時用恒壓源供電。R1+△R1R2-△R2USCR3-△R3R4+△R4ABCD80調(diào)理電路：供橋電流IS=5~10mA放大器增益：81四、敏感元件加工技術(shù)1.薄膜技術(shù)

薄膜技術(shù)是在一定的基底上,用真空蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相淀積（CVD）等工藝技術(shù)加工成零點幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈性元件,也可加工為轉(zhuǎn)換元件,有的可作為絕緣膜,有的可用作控制尺寸的犧牲層,在傳感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。82在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱,當(dāng)真空度抽到0.0133Pa以上時,加大鎢絲的加熱電流,使材料融化,繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā),在基底上凝聚成膜。真空蒸鍍圖中,1—真空室,2—基底,3—鎢絲,4—接高真空泵。83在低真空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在1000V以上）使氣體電離形成等離子體,等離子中的正離子以高能量轟擊靶面,使靶材的原子離開靶面,淀積到陽極工作臺上的基片上,形成薄膜。濺射圖中,1—靶,2—陰極,3—直流高壓,4—陽極,5—基片,6—惰性氣體入口,7—接真空系統(tǒng)。84化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一種氣體化合物在一個反應(yīng)室中進(jìn)行反應(yīng),生成固態(tài)的淀積物質(zhì),淀積在基底上生成薄膜?；瘜W(xué)氣相淀積（CVD）圖中,1—反應(yīng)氣體A入口,2—分子篩,3—混合器,4—加熱器,5—反應(yīng)室,6—基片,7—閥門,8—反應(yīng)氣體B入口852、微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐蝕速度、摻雜濃度的關(guān)系,對硅材料進(jìn)行精細(xì)加工、制作形狀復(fù)雜、尺寸微小的敏感元件的技術(shù)。1)體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工常用化學(xué)腐蝕液（濕法）和離子刻蝕（干法）技術(shù)（采用惰性氣體）。2)表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)該工藝的特點是利用稱為“犧牲層”的分離層,形成各種懸式結(jié)構(gòu)。861）先在單晶硅的（100）晶面生長一層氧化膜作為光掩膜,并在其上覆蓋光敏膠形成圖案（保護(hù)氧化膜，并可以利用光將其去除）,再浸入氫氟酸中,腐蝕氧化膜；2）將此片置于各向異性的腐蝕液（如乙二胺＋鄰苯二酚＋水）對晶面進(jìn)行縱向腐蝕,腐蝕出腔體的界面為（111）面,與（100）表面的夾角為54.74°。單晶硅體型結(jié)構(gòu)的腐蝕加工(2)光刻和腐蝕氧化層(b)熱生成硅氧化膜單晶硅(100)面基片(1)氧化的硅基片(a)光敏膠(3)各向異性腐蝕硅(c)(111)硅平面54.740871）在N型硅（100）基底上淀積一層Si3N4作為多晶硅的絕緣支撐,并刻出窗口,如圖(a)所示。利用局部氧化技術(shù)在窗口處生成一層SiO2作為犧牲層,如圖(b)所示；2）在SiO2層及