传感器及应用第7章压阻式传感器课件

0707传感器及应用传感器及应用第第7章章 压阻式传感器压阻式传感器6/16/2024107传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿07传感器及应用第7章 压阻式传感器8/9/2023107传7.1晶体的晶面、晶向晶体的晶面、晶向 压阻传感器用单晶半导体材料制作压阻传感器用单晶半导体材料制作 单晶体是指在同一块材料中原子基本上按单晶体是指在同一块材料中原子基本上按照同一种方式排列的晶体。晶体中原子排照同一种方式排列的晶体。晶体中原子排列非常有规则：对称性和周期性列非常有规则：对称性和周期性 晶体中不同方向原子排列方式不同，所以晶体中不同方向原子排列方式不同，所以性质也不同，这就是各向异性性质也不同，这就是各向异性 需要有共认的方法，将晶体中不同方向和需要有共认的方法，将晶体中不同方向和面（晶面）表示出来，以便根据需要选用面（晶面）表示出来，以便根据需要选用晶面或晶向晶面或晶向6/16/2024207传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿7.1晶体的晶面、晶向 压阻传感器用单晶半导体材料制作8/如图如图7.1所示，所示，将坐标轴确定将坐标轴确定后，将要表示后，将要表示晶面在轴上截晶面在轴上截距的倒数比取距的倒数比取整数比就可表整数比就可表示晶面，与晶示晶面，与晶面垂直的方向面垂直的方向称晶向称晶向6/16/2024307传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿如图7.1所示，将坐标轴确定后，将要表示晶面在轴上截距的倒数图7.2是单晶体几组重要的晶面与晶向6/16/2024407传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿图7.2是单晶体几组重要的晶面与晶向8/9/2023407传7.2 扩散型压阻式传感器扩散型压阻式传感器随着微电子技术发展，将集成电路工艺随着微电子技术发展，将集成电路工艺用于制作半导体集成力（压力）传感器用于制作半导体集成力（压力）传感器目前基本不用硅应变片作压力传感器，目前基本不用硅应变片作压力传感器，而是利用半导体电阻率（扩散电阻）随而是利用半导体电阻率（扩散电阻）随应力变化的性质直接制作半导体器件应力变化的性质直接制作半导体器件利用集成工艺制作扩散电阻，并将扩散利用集成工艺制作扩散电阻，并将扩散电阻直接制成敏感元件（不用粘贴硅片）电阻直接制成敏感元件（不用粘贴硅片）6/16/2024507传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿7.2 扩散型压阻式传感器随着微电子技术发展，将集成电路工艺制作的半导体基片，受到外界振动、压制作的半导体基片，受到外界振动、压力、加速度等作用将发生变形，其内部力、加速度等作用将发生变形，其内部应力变化，扩散电阻的阻值也随之而变应力变化，扩散电阻的阻值也随之而变根据电阻值的变化大小就可以确定振动、根据电阻值的变化大小就可以确定振动、压力和加速度的大小。压力和加速度的大小。这种传感器称扩散型压阻传感器，更为这种传感器称扩散型压阻传感器，更为一般的名字是固态压力传感器一般的名字是固态压力传感器目前已有压阻式的加速度传感器与不同目前已有压阻式的加速度传感器与不同量程的压阻式压力传感器量程的压阻式压力传感器6/16/2024607传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿制作的半导体基片，受到外界振动、压力、加速度等作用将发生变形由于半导体电阻率会受温度的影响，所由于半导体电阻率会受温度的影响，所以这种压阻式力传感器需要温度补偿，以这种压阻式力传感器需要温度补偿，目前温度补偿技术比较成熟目前温度补偿技术比较成熟随着集成化技术的速猛发展，这类传感随着集成化技术的速猛发展，这类传感器将会发展成力传感器的主流，而且还器将会发展成力传感器的主流，而且还可能智能化可能智能化6/16/2024707传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿由于半导体电阻率会受温度的影响，所以这种压阻式力传感器需要温7.3 压阻式传感器原理与设计压阻式传感器原理与设计7.3.1压阻效应压阻效应对于条形金属与半导体其电阻的表示式为当受外力作用而使形状变化后的电阻相对变化为6/16/2024807传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿7.3 压阻式传感器原理与设计7.3.1压阻效应8/9/20对金属而言，电阻变化率d/很小，往往略去不计，所以电阻的变化是由应变所致电阻变化为金属的=0.5，Ks2对半导体来说，电阻变化率d/很大，通常表示为d/=E。6/16/2024907传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿对金属而言，电阻变化率d/很小，往往略去不计，所以电阻的上式中称压阻系数，E为弹性模量，为应力，应变。E 在半导体中压力引起电阻变化E（50-150），一般比金属Ks（2）大几十倍甚至上百倍引起半导体电阻随压力变化的原因不是材料的几何形状的变化，而是压力引起电阻率的变化，故称压阻效应这是一种物性型传感器在半导体中电阻变化可表示为6/16/20241007传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿上式中称压阻系数，E为弹性模量，为应力，应变。为什么半导体的电阻率会随压力变化？由于半导体的能带结构复杂，它有几个能谷（多能谷能带模型）当力作用于硅晶体时，晶体的晶格发生形变，它使载流子产生一个能谷到另一个能谷的散射，这时载流的迁移率会发生变化，这会导致硅的电阻变化e为电子电荷，N为载流子浓度，称迁移率6/16/20241107传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿为什么半导体的电阻率会随压力变化？8/9/20231107传压力会引起载流子数目和迁移率的改变，电阻率随之变化由于晶体和各向异性，电阻率随压力的变化会随单晶的取向不同而不同，故Si的压阻效应与晶体取向有关。所以切各种不同的晶面来制作压阻芯片，并在芯片的不同方向上扩散电阻条6/16/20241207传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿压力会引起载流子数目和迁移率的改变，电阻率随之变化8/9/27.3.2压阻系数压阻系数1.定义定义压阻系数用表示，其定义为由于晶体的各向异性，要用张量表示这个张量矩阵是6行6列共36个元素，由于晶体的对称性，独立的数目少于36，如单晶硅就只有3个6/16/20241307传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿7.3.2压阻系数1.定义8/9/20231307传感器及应单晶硅的压阻系数为如果坐标轴与晶轴一致硅晶体的电阻率可表示为l为纵向应力，t为横向应力，s为与l、t垂直方向的应力；l表示应力作用方向与电流方向一致的压阻系数，t表示应力作用方向与电流方向垂直时的压阻系数，ss通常很小6/16/20241407传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿单晶硅的压阻系数为8/9/20231407传感器及应用第7章电阻变化可表示为l、t可由纵向压阻系数11、横向压阻系数12和剪切压阻系数44按照分式P103（7.10）计算。6/16/20241507传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿电阻变化可表示为8/9/20231507传感器及应用第7章压2.影响压阻系数的因素影响压阻系数的因素影响压阻系数的因素较多，由于晶体的各向异性不同的晶面与晶向的压阻系数有明显的差别表面杂质浓度与温度也会对它有影响。图7.6为压阻系数与表面杂质浓度的关系曲线由图可见p型硅的压阻系数明显大于 n型硅6/16/20241607传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿2.影响压阻系数的因素影响压阻系数的因素较多，由于晶体的各向表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降得很快，而表面杂质浓度较高时压阻系数受温度的影响较小为了使灵敏度较高，温漂小，在确定半导体材料的型号和掺杂浓度方面要从多方面考虑6/16/20241707传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降得很快，而表面杂质浓度3.硅不同晶面上的压阻系数硅不同晶面上的压阻系数（1）（）（100）晶）晶面面上的压阻系数图图7.4是是p型型Si（100）晶面上）晶面上不同晶向的压阻系不同晶向的压阻系数数可看出只有四个对可看出只有四个对称晶向称晶向压阻系数最大压阻系数最大故这是传感器制作的最佳方向。6/16/20241807传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿3.硅不同晶面上的压阻系数（1）（100）晶面上的压阻系数（2）（）（110）晶面内的压阻系数）晶面内的压阻系数在（110)面上横向压阻系数小于纵向。图7.5为（110）晶面内的压阻系数图。此图中内圈为横向压阻系数当 纵向压阻系数最大此晶面中还有值得注意的一对晶向6/16/20241907传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿（2）（110）晶面内的压阻系数在（110)面上横向压阻系数6/16/20242007传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿8/9/20232007传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿（3）（）（111）晶面内的压阻系数）晶面内的压阻系数根据计算，在晶面上的压阻系数与方向无关对于p型硅因此制作电阻条时不需定向，但灵敏度较低；在（111）面上腐蚀速率是各向同性的，在制作时便于加工6/16/20242107传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿（3）（111）晶面内的压阻系数根据计算，在晶面上的压阻系数7.3.3压阻式传感器的设计与制作压阻式传感器的设计与制作1.半导体应变片半导体应变片早期的压阻式传感器类似于金属应变片，利用它的高灵敏度来工作，称半导体应变片。6/16/20242207传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿7.3.3压阻式传感器的设计与制作1.半导体应变片8/9/22.压阻式压力传感器中扩散电阻的设计压阻式压力传感器中扩散电阻的设计目前的压阻式压力传感器用微电子工艺，目前的压阻式压力传感器用微电子工艺，将感应区制作在同一片硅片上将感应区制作在同一片硅片上硅有良好的物理性能，作为弹性元件，硅有良好的物理性能，作为弹性元件，电阻直接扩散而成，响应速度快，可靠电阻直接扩散而成，响应速度快，可靠性高性高可将温度补偿、处理和测量电路等同时可将温度补偿、处理和测量电路等同时集成在硅片上，向集成化、微型化和智集成在硅片上，向集成化、微型化和智能化方面发展能化方面发展下面简要介绍主要结构上电阻的分布情下面简要介绍主要结构上电阻的分布情况况6/16/20242307传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿2.压阻式压力传感器中扩散电阻的设计目前的压阻式压力传感器用（1）圆平膜片的设计）圆平膜片的设计外力作用在圆形硅环膜片应力分布如图外力作用在圆形硅环膜片应力分布如图7.8所示。中间正应力最大，应该将扩散所示。中间正应力最大，应该将扩散电阻放在这些位置以增大灵敏度电阻放在这些位置以增大灵敏度6/16/20242407传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿（1）圆平膜片的设计外力作用在圆形硅环膜片应力分布如图7.8图图7.9是在（是在（100）圆膜上扩散电阻的分布）圆膜上扩散电阻的分布左图四臂电阻集中分布，扩散电阻阻值容左图四臂电阻集中分布，扩散电阻阻值容易控制，温度系数也能一致，便于温度补易控制，温度系数也能一致，便于温度补偿偿右图电阻靠边，应力最大易于测量，但一右图电阻靠边，应力最大易于测量，但一致性不易控制致性不易控制在压阻传感器中受在压阻传感器中受力发生变化的是电力发生变化的是电阻的大小所以仍用阻的大小所以仍用电桥进行信号转换电桥进行信号转换6/16/20242507传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿图7.9是在（100）圆膜上扩散电阻的分布在压阻传感器中受力图图7.10是（是（110）圆膜上扩散电阻的两种）圆膜上扩散电阻的两种分布情况分布情况左图一对中心，一对边缘，计算方便左图一对中心，一对边缘，计算方便右图的两对电阻沿不同方向，灵敏度高，右图的两对电阻沿不同方向，灵敏度高，但设计和制作均有一定难度但设计和制作均有一定难度两种方案均可获最高灵敏度两种方案均可获最高灵敏度6/16/20242607传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿图7.10是（110）圆膜上扩散电阻的两种分布情况8/9/2（2）方形平膜片设计）方形平膜片设计方形边长a等于圆膜片直径D时，边应力比圆片大60%因此会有较高的灵敏度。图7.11为两促典型的（100）矩形膜上的电阻分布实际上圆形有最大面积利用率加工也比较方便，在压阻式传感器中通常不采用方形结构6/16/20242707传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿（2）方形平膜片设计方形边长a等于圆膜片直径D时，边应力比圆（3）其它膜片设计）其它膜片设计其它还有E型膜片、双岛结构膜和梁结构膜等。见图7.12-图7.156/16/20242807传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿（3）其它膜片设计其它还有E型膜片、双岛结构膜和梁结构膜等。第7章复习思考题1.什么是压阻效应？什么是压阻效应？2.比较金属应变片与半导体应变片和它们比较金属应变片与半导体应变片和它们的优缺点。的优缺点。3.影响压阻系数的主要因素。影响压阻系数的主要因素。4.什么是扩散型压阻传感器（固态压阻传什么是扩散型压阻传感器（固态压阻传感器）？感器）？5.什么叫的各向异性？目前压阻传感器用什么叫的各向异性？目前压阻传感器用哪种材料制作？常用的有那些晶面？哪种材料制作？常用的有那些晶面？6/16/20242907传感器及应用第7章压阻式传感器讲稿第7章复习思考题1.什么是压阻效应？8/9/20232907