生物医学传感电阻传感器课件

上次课内容回顾上次课内容回顾1.1.弹性敏感元件弹性敏感元件2.2.应变片电阻传感器的工作原理应变片电阻传感器的工作原理 应变效应应变效应 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性3.3.电桥转换电路和温度补偿原理电桥转换电路和温度补偿原理4.4.应变片式传感器的应用应变片式传感器的应用 上次课内容回顾弹性敏感元件第二节第二节 压阻式传感器压阻式传感器FFL Lr r材料阻值变化材料阻值变化：几何形状变化的影响几何形状变化的影响应变效应应变效应压阻效应压阻效应电阻率发生变化的影响电阻率发生变化的影响第二节压阻式传感器FFLLrr材料阻值变化：几何形状一、压阻效应一、压阻效应 压阻效应压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻率（或电阻）发生变化的现象。一、压阻效应压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时，其电阻相对变化量：电阻相对变化量：式中：压阻系数；E弹性模量；应力；应变。电阻相对变化量：式中：压阻系数；E弹性模量；对半导体材料对半导体材料：mmsKKK10050=对金属材料对金属材料：对半导体材料：mmsKKK10050=对金属材料：压阻式传感器分类压阻式传感器分类体型压力传感器体型压力传感器：半导体应变式半导体应变式固态压阻式传感器固态压阻式传感器（扩散（扩散型压阻传感器）型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化应变电阻与硅基片一体化压阻式传感器分类体型压力传感器：固态压阻式传感器的特点固态压阻式传感器的特点灵敏度高灵敏度高分辨率高分辨率高体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高温度误差大温度误差大固态压阻式传感器的特点灵敏度高天然形成的石英晶体天然形成的石英晶体二、晶向的表示方法二、晶向的表示方法天然形成的石英晶体二、晶向的表示方法C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示硅为立方晶体结构硅为立方晶体结构单位晶面单位晶面CZOBAXY11晶体晶面的截距表示硅为立方晶体结构单位晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定：晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定：晶面晶面符号为符号为(hklhkl)晶面全集晶面全集符号为符号为 hklhkl 晶向晶向符号为符号为 hklhkl 晶向全集晶向全集符号为符号为hklhklh、k、l称为密勒指数称为密勒指数C ZOBAXY11晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定：h、k、l称为密勒指数分析立方晶体中的晶面、晶向分析立方晶体中的晶面、晶向(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内几种不同晶向与晶面（b）（a）v 对立方晶系（对立方晶系（x=y=z,xyz),x=y=z,xyz),面指数为（面指数为（hkl)hkl)的的晶面与密勒指数为晶面与密勒指数为hklhkl的晶向彼此垂直。的晶向彼此垂直。X分析立方晶体中的晶面、晶向(110)110100(1【例例】v晶向、晶面分别为：v 晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-2【例】晶向、晶面分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：xy1三、压阻系数三、压阻系数1 1、单晶硅的压阻系数、单晶硅的压阻系数v六个独立的应力分量：六个独立的应力分量：v六个独立的电阻率的变化率：六个独立的电阻率的变化率：三、压阻系数1、单晶硅的压阻系数六个独立的应力分量：六个独立电阻率的变化与应力分量之间的关系电阻率的变化与应力分量之间的关系:电阻率的变化与应力分量之间的关系:分析分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应正向应力不可能产生剪切压阻效应剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应剪切压阻系数相等正向压阻系数相等横向压阻系数相等分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应分别为纵向、横向和分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数剪切方向的压阻系数分量分量压阻系数矩阵压阻系数矩阵:分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数分量压阻系数矩阵:对对P P型硅型硅(掺杂三价元素）掺杂三价元素）：1111、121200，只考虑，只考虑4444 ：对对N N型硅型硅(掺杂五价元素）掺杂五价元素）：44 44 00 ，12 12 -1/2-1/211 11，晶体晶体导电类型导电类型电阻率（电阻率（.m).m)11 12 44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6压阻系数（压阻系数（1010-11-11m m2 2/N/N）对P型硅(掺杂三价元素）：晶体导电类型电阻率（.m)11pQ2 2、任意方向（、任意方向（P P方向）电阻变化方向）电阻变化/123v：纵向应力纵向应力v：横向应力：横向应力v：纵向压阻系数纵向压阻系数v:横向压阻系数横向压阻系数pQ2、任意方向（P方向）电阻变化/123：将各个压阻系数向将各个压阻系数向P P、Q Q方向投影方向投影:如果已知：如果已知：v(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦v(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦将各个压阻系数向P、Q方向投影:如果已知：关于方向余弦关于方向余弦某晶向某晶向hkl(h,k,lhkl(h,k,l是密勒指数）的方向余弦为：是密勒指数）的方向余弦为：关于方向余弦某晶向hkl(h,k,l是密勒指数）的方向余 例例11：计算（计算（100100）晶面内）晶面内011011晶向的纵向与晶向的纵向与横向压阻系数。横向压阻系数。v（100）晶面内晶面内 011 晶向的横向为晶向的横向为 011 晶向晶向yxzv 设设011与与011晶向的方向余弦分别为：晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2例1：计算（100）晶面内011晶向的纵向与横向压阻生物医学传感电阻传感器课件生物医学传感电阻传感器课件对对P P型硅型硅(掺杂三价元素）掺杂三价元素）：只考虑只考虑4444对对N N型硅型硅(掺杂五价元素）掺杂五价元素）：12 12 -1/2-1/211 11 对P型硅(掺杂三价元素）：只考虑44 例例2：计算（计算（110）晶面内）晶面内110晶向的纵向晶向的纵向与横向压阻系数。与横向压阻系数。v设（设（110110）晶面内晶向的一般形式为）晶面内晶向的一般形式为hkl,hkl,则：则：v取（取（110）晶面内）晶面内 110 晶向的横向为晶向的横向为 001例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向v设设 110 与与 001 晶向的方向余弦分别为：晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2设110与001晶向的方向余弦分别生物医学传感电阻传感器课件3 3、影响压阻系数的因素、影响压阻系数的因素 扩散电阻的扩散电阻的表面杂质浓度表面杂质浓度和和温度温度。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS/cm-3P型Si(44)N型Si(-11)11或44/10-11m2/NT=27压阻系数与表面杂质浓度NS的关系vv扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小3、影响压阻系数的因素12014010080604020解释：vn：载流子浓度：载流子浓度ve：载流子所带电荷：载流子所带电荷v：载流子迁移率：载流子迁移率v：电阻率：电阻率vNs杂质原子数多杂质原子数多载流子多载流子多 nv杂质浓度杂质浓度Ns n在应力作用下在应力作用下的变化更小的变化更小 /解释：n：载流子浓度Ns杂质原子数多载流子多nv表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快v表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快解释：vT载流子获得的动能载流子获得的动能运动乱运动乱/Ns大，大，变化较小变化较小 变化小变化小Ns小，小，变化大变化大 变化大变化大N Ns s大：大：受温度影响小高浓度扩散，使p-n结击穿电压绝缘电阻 漏电漂移性能不稳定解释：T载流子获得的动能运动乱四、固态压阻器件四、固态压阻器件1 1、器件的结构原理、器件的结构原理1N-Si膜片2P-Si导电层3粘贴剂4硅底座5引压管6Si保护膜77引线四、固态压阻器件1、器件的结构原理1N-生物医学传感电阻传感器课件 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图如图 (a)(a)所示，其阻值的相对变化为：所示，其阻值的相对变化为：力敏电阻受力情况示意图力敏电阻受力情况示意图（a）001100010llttR当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图(a 径向电阻径向电阻R Rr r 切向电阻切向电阻R Rt ttrlrttltRrRt（b）径向电阻RrtrlrttltRrRt（若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为：式中r、x、h膜片的有效半径、计算点半径、厚度（m）；泊松系数，硅取=0.35；P压力（Pa）。若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当膜片位移远小于平膜片的应力分布图平膜片的应力分布图trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh200.51x=0.812rx=0.635r平膜片的应力分布图trrttr3P4rh23P方案一方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应压阻效应 在在001001晶向的晶向的N N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110110与与110110两晶向扩散四个两晶向扩散四个P P型电阻条型电阻条xyz方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应110110110110 1 1、在、在110110晶向：扩散两个径向晶向：扩散两个径向P P型电阻型电阻1、在110晶向：扩散两个径向P型电阻2 2、在、在110110晶向：扩散两个切向晶向：扩散两个切向P P型电阻型电阻2、在110晶向：扩散两个切向P型电阻所以所以：所以：r电阻变化与电阻变化与r r的关系：的关系：r电阻变化与r的关系：如：扩散在如：扩散在0.812r0.812r处，此时处，此时t t=0=0如：扩散在0.812r处，此时t=0方案二方案二：只利用纵向压阻效应只利用纵向压阻效应 在110晶向的N型硅膜片上，沿110晶向在0.635r之内与之外各扩散两个P型电阻条，110的横向为001。110001R1R2R3R4方案二：只利用纵向压阻效应在110晶向的N型110方向方向余弦：方向方向余弦：001方向方向余弦：方向方向余弦：110方向方向余弦：001方向方向余弦：平膜片的应力分布图平膜片的应力分布图trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh200.51平膜片的应力分布图trrttr3P4rh23P内、外电阻值的变化率应为：内、外电阻值的变化率应为：即可组成差动电桥。即可组成差动电桥。式中式中 、内、外电阻所受径向应力的平均值内、外电阻所受径向应力的平均值内外电阻的相对变化。内外电阻的相对变化。设计时，适当安排电阻的位置，可以使得设计时，适当安排电阻的位置，可以使得:=于是有于是有内、外电阻值的变化率应为：即可组成差动电桥。式中、1 1、恒压源供电、恒压源供电 R1+R1R2-R2UoutR3-R3R4+R4 五、测量桥路及温度补偿五、测量桥路及温度补偿1、恒压源供电R1+R1R2-R2UoutR3-电桥输出为：电桥输出为：当当R Rt t=0=0时：时：vRt0时，Uout=f(t)是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。电桥输出为：当Rt=0时：Rt0时，Uout=f(t2 2、恒流源供电、恒流源供电BR1+R1R2-R2UoutR3-R3R4+R4ACD2、恒流源供电BR1+R1R2-R2UoutR3-可可见见，电电桥桥输输出出与与电电阻阻变变化化成成正正比比，即即与与被被测测量量成成正正比比，与与恒恒流流源源电电流流成成正正比比，即即与与恒恒流流源源电电流流大大小小和和精精度度有有关关。但但与与温温度度无无关关，因因此此不不受受温温度度的的影影响。响。可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒3.3.零点温度补偿零点温度补偿R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi3.零点温度补偿R2R4R1R3USC温度漂移的补偿Rp4 4、灵敏度温度漂移、灵敏度温度漂移v漂移的原因漂移的原因：压阻系数随温度变化引起温度温度T44 温度升高时，压阻系数变小温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的系数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值灵敏度系数为负值。4、灵敏度温度漂移漂移的原因：压阻系数随温度变化引起温度T补偿方法补偿方法1：改变电源电压的方法：改变电源电压的方法补偿方法1：改变电源电压的方法 因为因为二极管二极管PNPN结的温度特性为负值，温度每升高结的温度特性为负值，温度每升高11时，时，正向压降约减小正向压降约减小(1.9(1.92.5)mV2.5)mV。R4R2R1UoutR3方法方法2 2：串联正向二极管：串联正向二极管因为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，压阻式传感器常用补偿方法压阻式传感器常用补偿方法硬件线路补偿软件补偿专用补偿芯片补偿 MCA7707是一种采用CMOS工艺的模拟传感信号处理器。它通常被应用于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。压阻式传感器常用补偿方法硬件线路补偿MPX4100AMPX4100A系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器MPX4100A系列集成硅压力传感器应用应用三角翼表面压力测量三角翼表面压力测量应用三角翼表面压力测量压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 基座lbh110110vm：质量块的质量(kg)vb,h：悬臂梁的宽度和厚度（m）vl：质量块的中心至悬臂梁根部的距离（m）va：加速度(m/s2)压阻式加速度传感器基座lbh110110m：质量微机电系统的微细加工技术微机电系统的微细加工技术1)1)体型结构腐蚀加工体型结构腐蚀加工 体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）技术。2)2)表面腐蚀加工表面腐蚀加工牺牲层技术牺牲层技术 该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种悬式结构。微机电系统的微细加工技术单晶硅立体结构的腐蚀加工过程单晶硅立体结构的腐蚀加工过程单晶硅立体结构的腐蚀加工过程表面腐蚀加工表面腐蚀加工牺牲层技术形成硅梁过程牺牲层技术形成硅梁过程 表面腐蚀加工牺牲层技术形成硅梁过程生物医学传感电阻传感器课件小结压阻式传感器的工作原理压阻效应、晶面晶向的表示(密勒指数、方向余弦)压阻系数、阻值变化的计算纵、横向压阻系数的计算任意方向电阻条电阻变化的计算温度漂移及其补偿小结压阻式传感器的工作原理