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1、第8章 压阻式传感器 8.1 压阻式传感器的工作原理 8.2 晶向的表示方法 8.3 压阻系数 8.4 影响压阻系数的因素 8.5 压阻式传感器的结构与设计 8.6 压阻式传感器的测量电路及补偿 8.7 压阻式传感器的应用,固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。 分类: 粘贴型压阻式传感器(传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片) 扩散型压阻式传感器(它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。,8.1 压阻式传感器的工作原理 任何材料电阻的变化率都由下式决定 对金属而言，
2、上式中的第一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而l/l与s/s两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要是由l/l与s/s两项引起的，这就是金属应变片的基本工作原理。对半导体而言，上式中的l/l与s/s两项很小，即尺寸的变化率很小，可忽略不计，而 一项较大，也就是电阻率变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由 一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。,如果引用式中p 为压阻系数，s 为应力，再引进横向变形的关系，则电阻的相对变化率可写成 式中 k灵敏系数,对金属来讲，E有时可忽略不计，而泊松系数= 0.250.5，故近似地有 对半导体来讲，1+2可忽略不计，而压阻系
3、数 =（4080）10-11Pa，弹性模量E = 1.671011Pa，故 式中 ky半导体材料的灵敏系数。 此式表示，压阻式传感器的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的50100倍。综上所述，半导体材料电阻变化率R/R主要是由r/r 引起的，这就是半导体的压阻效应。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，它使载流子产生从一个能谷到另一个能谷的散射，载流子的迁移率发生变化，扰动了纵向和横向的平均有效质量，使硅的电阻率发生变化。这个变化率随硅晶体的取向不同而不同，即硅的压阻效应与晶体的取向有关。,硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶面为单位
4、晶面，如图所示。,8.2 晶向的表示方法,扩散型压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。,此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成 式中，p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。为了方便取其倒数得式中，h、k、l也为没有公约数（1除外）的简单整数。依据上述关系式，可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。,而晶向是晶面的法线方向，我国规定用表示晶向，用
5、（hkl）表示晶面，用hkl表示晶面族。 依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方晶体中的晶面、晶向。在立方晶体中，所有的原子可看成是分布在与上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在与两侧晶面相平行的一簇晶面上，要区分这不同的晶面，需采用密勒指数来对晶面进行标记。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时，密勒指数就是1、1、1。,若晶面与任一晶轴平行，则晶面符号中相对于此轴的指数等于零，因此与X轴相交而平行于其余两轴的晶面用(1 0 0)表示，其晶向为；与Y轴相交面平行于其余两轴的晶面为(0 1 0)，其晶向为；与Z轴相交而平行于X、Y轴的晶面为(0 0 1)，晶向为。同理，与X、Y轴
6、相交而平行于Z轴的晶面为(1 1 0)，其晶向为；其余类推。硅立方晶体内几种不同晶向及符号如图。,由于是立方晶体，（100）、（010）（001）三个面的特性是一样的，因此、有时可通用，均可用表示。这是泛指的，如指某一固定的晶向时，则不能通用。 对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中，(1 1 1)晶面上的原子密度最大，(1 0 0)晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同，所表现出的性质也不同，如(1 1 1)晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(1 0 0)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。相应的压阻效应也不同。硅压阻传感器的硅芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。常用的
7、晶向为、三个晶向。通常在这三个晶向上扩散电阻有最大压阻系数。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅杯形的压阻芯片。,半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。即,8.3 压阻系数,当多向应力作用在单晶硅上时，电阻的相对变化dR/R与应力的关系如下式。在正交坐标系中，坐标轴与晶轴一致时，有 式中 l纵向应力；t横向应力； s与l、t垂直方向上的应力； l、t、s分别为l、t、s相对应的压阻系数，l表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向一致时的压阻系数，t表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向垂直时的压阻系数
8、。,当坐标轴与晶轴方向有偏离时，再考虑到ss，一般扩散深度为数微米，垂直应力较小可以忽略。因此电阻的相对变化量可由下式计算 式中 l、t值可由纵向压阻系数11、横向压阻系数12、剪切压阻系数44的代数式计算，即 式中 l1、m1、n1压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦；l2、m2、n2横向应力相对于立方晶轴的方向余弦； 11、12、44单晶硅独立的三个压阻系数，它们由实测获得数据，在室温下，其数值见下表。,表 11、12、55的数值（10-11m2/N）,从上表中可以看出，对于P型硅，44远大于11和12，因而计算时只取44；对于N型硅，44较小，11最大，1211 /2 ，因而计算时只
9、取11和12。,8.4 影响压阻系数的因素 影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和环境温度。压阻系数与扩散杂质表面浓度Ns的关系如图所示。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小；表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的（绝对）值高，因此选P型硅有利于提高敏感元件的灵敏度。,压阻系数与环境温度的关系如图所示，表面杂质浓度低时，随温度升高，压阻系数下降快；提高表面杂质浓度，随温度升高，压阻系数下降趋缓。从温度影响看，扩散杂质的表面浓度高些好。但提高扩散浓度也要降低压阻系数；而且高浓度扩散时，扩散层P型硅与衬底（膜片）N型硅间PN结耐击穿电压也下降，从而使绝缘电阻下降。总之，对压阻系数
10、、绝缘电阻以及温度的影响诸因素要综合考虑。,P型硅,N型硅,8.5.1 压阻式传感器的结构目前使用较多的是按结构分类，包括体型、扩散型和薄膜型主。、体型半导体应变计 制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图左。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，其中轴向压阻系数最大，取此方向作为电阻纵向，图右为体型应变片结构示意图，由硅条、内引线、电极、基底和外引线五部分组成。,8.5 压阻式传感器的结构与设计,、扩散型半导体应变计利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样
11、的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示。,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,8.5.2 扩散型压阻式压力传感器,压阻式压力传感器结构简图1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片,工作原理：硅压阻式传感器由外壳、硅膜片和引线组成，其核心部分是做成杯状的硅膜片，通常叫做硅杯。外壳则因不同用途而异。在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做四个相等的电阻，经蒸镀铝电极及连线，接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相通，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差而发生形变时，膜片各点产生
12、应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，其电压大小就反映了膜片所受的压力差值。,通常硅膜片在受压时的形变非常微小，其弯曲挠度远小于硅膜片的厚度，并且膜片常取圆形。因而求膜片上的应力分布，可以归结为弹性力学中的小挠度圆薄板应变问题。 设均布压力为P，则薄板上各点的径向应力r和切向应力t与其作用半径r有如下关系：,式中 r、h：膜片的工作面半径、厚度； ：泊松比(硅取=0.35)。,四个电阻的配置位置：,均布压力P产生的应力是不均匀的，且有正应力区和负应力区。利用这一特性，选择适当的位置布置电阻，使其接入电桥的四臂中，两两电阻在受力时一增一减，且阻值增加的两个电阻和阻值减
13、小的两个电阻分别对接。这样既提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。因此，压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路。,扩散型压阻式压力传感器 特点,优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。,8.5.3 压阻式加速度传感器,压阻式加速度传感器的原理结构如下图所示。它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面 ，并接成电桥。当悬臂梁自由端的质量块受加速度作用时，悬臂梁受弯矩作用产生应力，其方向为梁的长
14、度方向。从而使四个电阻中两个电阻的应力方向与电流一致，另两个电阻的应力方向与电流垂直。,电阻相对变化率：,压阻式加速度传感器用来测量振动加速度时，其固有频率按下式计算：,式中E为材料的弹性模量。只要正确选择尺寸和阻尼，就可以用来测量低频加速度。例如上图结构的一量程为100ms2的加速度传感器,其参数如下：l=1cm,b=0.3cm,h=0.015cm，质量块m=0.76g,固有频率f0=100Hz。,测量电路通常是采用电桥电路，电桥的电源既可采用恒压源供电也可采用恒流源供电，下面分别讨论。8.6.1 恒压源供电 假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，两个电阻的阻值增加，增加量为DR，两个电阻的阻值减小，减小量为-DR；另外由于温度影响，使每个电阻都有DRT的变化量。根据图，电桥的输出为 整理后得,8.6 压阻式传感器的测量电路及补偿,
