第8章-压阻式传感器ppt课件.ppt

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1、第八章压阻式传感器1半导体的压阻效应2压阻式压力传感器原理和电路(1)体型半导体应变片(2)扩散型压阻式压力传感器(3)测量桥路及温度补偿3压阻式传感器的应用下一页返回1半导体的压阻效应固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应半导体材料的压阻效应特别强。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。上一页返回下一页利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传感器。一、压阻

2、效应及压阻系数压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。压阻式压力传感器4压阻式传感器的特点灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。分辨率高:能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，

3、使用带宽可以从静态至100千赫兹。温度误差大:须温度补偿、或恒温使用。由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高，加之计算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/℃数量级,即在压力传感器领域已超过的应变式传感器的水平。压阻效应金属材料半导体材料半导体电阻率πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。上一页返回下一页6参考知识：晶向的表示方法1)半导体单晶硅是各向异性材料;2)硅是立方晶体，按晶轴建

4、立座标系;3)晶面：原子或离子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;4)晶向：晶面的法线方向.X(1)Y(2)Z(3)晶面表示方法zxyrst截距式：法线式：r,s,t－x,y,z轴的截距cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦法线长度7密勒指数三个没有公约数的整数密勒指数密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）8表示方式表示晶面表示晶向表示晶面族对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l)晶面的法线方向；{h,k,l}晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。9例：晶向、晶面、

5、晶面族分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-210例：（特殊情况）xyz11对半导体材料而言，πlE>>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的变化是由应变引起的半导体单晶的应变灵敏系数可表示半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小上一页返回下一页压阻系数一、单晶硅的压阻系数312σ22σ23σ21σ33σ32σ31σ11σ12σ1313材料阻值变化六个独立的应力分量：六个独立的电阻率的变化率：广义：1415六个独立的应力

6、分量：六个独立的电阻率的变化率：正应力剪应力电阻率的变化与应力分量之间的关系16表面杂质浓度Ns（1/cm3)π11或π44三、影响压阻系数大小的因素1、压阻系数与表面杂质浓度的关系扩散杂质浓度增加，压阻系数减小P型Si（π44)N型Si（π11)17解释：ρ：电阻率n：载流子浓度e：载流子所带电荷μ：载流子迁移率Ns↑→杂质原子数多→载流子多→n↑→ρ↓杂质浓度Ns↑→n↑→在应力作用下ρ的变化更小→△ρ↓↓→△ρ/ρ↓的变化率减小压阻系数减小18温度Tπ442、压阻系数与温度的关系温度升高时，压阻系数减小；表面

7、杂质浓度增加时，温度对压阻系数的影响变小（下降速度变慢）。Ns小Ns大19解释：T↑→载流子获得的动能↑→运动紊乱程度↑→μ↓→ρ↑→△ρ/ρ↓→π↓Ns大，μ变化较小→π变化小Ns小，μ变化大→π变化大2021载流子浓度影响总结Ns比较大时：a.π受温度影响小c.高浓度扩散，使p-n结击穿电压↓→绝缘电阻↓→漏电→漂移→性能不稳定b.Ns↑→π↓→灵敏度↓结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应用条件适当选择载流子的浓度。22压阻效应的原因:应力作用晶格变形能带结构变化载流子浓度和迁移率变化2压阻式压力传感器原理和电

8、路(1)体型半导体应变片(2)扩散型压阻式压力传感器(3)测量桥路及温度补偿参考知识：敏感元件加工技术1.薄膜技术薄膜技术是在一定的基底上,用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件,也可加工为转换元件,有的可作为绝缘膜,有的可用作控