生物医学传感压阻式课件

4-3压阻式传感器压阻式传感器14-3压阻式传感器1上次课内容回顾上次课内容回顾压电式传感器压电式传感器工作原理工作原理-压电效应压电效应压电材料特性压电材料特性压电方程压电方程等效电路及测量电路等效电路及测量电路2上次课内容回顾压电式传感器工作原理-压电效应2一、压电效应：一、压电效应：电能电能机械能机械能正正压电压电效效应应逆逆压电压电效效应应3一、压电效应：电能机械能正压电效应逆压电效应3二、二、压电材料压电材料（具有压电效应的材料）（具有压电效应的材料）（具有压电效应的材料）（具有压电效应的材料）种种类类压电晶体压电晶体：如石英：如石英压电陶瓷压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅：如钛酸钡、锆钛酸铅新型压电材料新型压电材料：如氧化锌、压电聚合物：如氧化锌、压电聚合物石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应4二、压电材料（具有压电效应的材料）种三、三、压电方程压电方程或或或或5三、压电方程或5 平行电极的自由电荷面密度平行电极的自由电荷面密度 E E等于极化强度等于极化强度P PE E,同时等于它的电通密度（即电位移）同时等于它的电通密度（即电位移）D D。F1XY+F1 F10+-P1P2P3 1 1 1 1、纵向效应传感器纵向效应传感器纵向效应传感器纵向效应传感器2 2 2 2、横向效应传感器横向效应传感器横向效应传感器横向效应传感器6平行电极的自由电荷面密度E等于极化强度PE,同时 四、四、等效电路与测量电路等效电路与测量电路 1.1.等效电路等效电路：qCtUtUtq/Ctq UtCtCt（a）电压等效电路（b）电荷等效电路7四、等效电路与测量电路1.等效电路：qC 2.2.测量电路测量电路前置放大器的作用：前置放大器的作用：前置放大器的作用：前置放大器的作用：（1 1）放大）放大）放大）放大 （2 2）阻抗变换）阻抗变换）阻抗变换）阻抗变换电压放大器电压放大器电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器电压放大器：电压放大器：其输出电压与输入电压（传感器的其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；输出电压）成正比；电荷放大器：电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。82.测量电路前置放大器的作用：电压放大器电压放大器：其输压阻式传感器压阻式传感器压压阻阻传传感感器器是是利利用用硅硅的的压压阻阻效效应应和和微微电电子子技技术术制制成成的的一种新的物性型传感器。一种新的物性型传感器。压阻效应压阻效应 晶向的表示方法晶向的表示方法 压阻系数压阻系数 固态压阻传感器固态压阻传感器 测量电桥及温度补偿测量电桥及温度补偿学习内容：学习内容：9压阻式传感器压阻传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的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（扩散型（扩散型压阻传感器）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10压阻式传感器分类体型压力传感器：10压阻式传感器的特点压阻式传感器的特点灵敏度高灵敏度高:硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高5050100100倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。无特殊要求，应用成本相应较低。分辨率高分辨率高:由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。率极高。体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，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，使用带宽可以从零频至计传感器外型，使用带宽可以从零频至100100千赫兹。千赫兹。温度误差大温度误差大:须温度补偿、恒温使用须温度补偿、恒温使用11压阻式传感器的特点灵敏度高:硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片 由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一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致性可做的很高，加之计算机自动补偿技术的进步，目前步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达已可达1010-5-5/数量级数量级,即在压力传感器领域已超即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。过温度系数小的应变式传感器的水平。12由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可压阻效应压阻效应：当固体材料在某一方向承受应：当固体材料在某一方向承受应力时，其力时，其电阻率电阻率（或电阻）发生变化的现象。（或电阻）发生变化的现象。半导体半导体（单晶硅）（单晶硅）材料材料受到外力作用，产生肉眼无法察觉的极受到外力作用，产生肉眼无法察觉的极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其致其电阻率剧烈的变化电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫化，这种物理效应叫半导体压阻效应半导体压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成电路工艺技术及一些专用特殊工利用压阻效应原理，采用集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上，沿特定晶向制成应变电阻，构成惠斯顿检艺，在单晶硅片上，沿特定晶向制成应变电阻，构成惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集殊的机械加工，制成集应力敏感与力电转换应力敏感与力电转换于一体的力学量传于一体的力学量传感器，称为感器，称为固态压阻传感器固态压阻传感器。一、压阻效应一、压阻效应13压阻效应：当固体材料在某一方向承受应一、压阻效应13 硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各种硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各种半导体器件中。半导体器件中。硅有很好的机械特性。硅有很好的机械特性。硅还具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔硅还具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。效应等。硅既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便于硅既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便于实现机电器件的集成化。实现机电器件的集成化。硅成为一种重要的微机电系统材料，可作为微传感硅成为一种重要的微机电系统材料，可作为微传感器、微执行器的基本材料。器、微执行器的基本材料。14硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各种半导体器件中材料阻值变化材料阻值变化：15材料阻值变化：15电阻相对变化量：电阻相对变化量：对金属材料对金属材料：16电阻相对变化量：对金属材料：16对半导体材料对半导体材料：式中：压阻系数；E弹性模量；应力；应变。由于半导体的由于半导体的EE一般可达一般可达50-100,50-100,比（比（1+21+2）2 2 大大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成：mmsKKK1005017对半导体材料：式中：压阻系数；E弹性模量；晶晶体体是是具具有有多多面面体体形形态态的的固固体体，由由分分子子、原原子子或或离离子子有有规规则则排排列列而而成成。这这种种多多面面体体的的表表面面由由称称为为晶晶面面的的许许多多平平面面围围合合而而成成。晶晶面面与与晶晶面面相相交交的的直直线线称称为为晶晶棱棱，晶晶棱棱的的交交点点称称为为晶晶体体的的顶顶点点。为为了了说说明明晶晶格格点点阵阵的的配配置置和和确确定定晶晶面面的的位位置置，通通常常引引进进一一组组对对称称轴轴线线，称称为为晶晶轴轴，用用X X、Y Y、Z Z表示表示。二、晶向的表示方法二、晶向的表示方法 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是晶硅是各向异性材料各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取，取向不同其特性不一样。而取向是用向是用晶向晶向表示的，所谓晶向就是表示的，所谓晶向就是晶面晶面的法线方向。的法线方向。18晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则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，就取立方晶体的三个相邻，就取立方晶体的三个相邻边为边为X X、Y Y、Z Z。在晶轴在晶轴X X、Y Y、Z Z上取与所有晶轴相交上取与所有晶轴相交的某晶面为的某晶面为单位晶面单位晶面，如图所示。，如图所示。此晶面与坐标轴上的截距为此晶面与坐标轴上的截距为OAOA、OBOB、OCOC。已知某晶。已知某晶面在面在X X、Y Y、Z Z轴上的截距为轴上的截距为OAxOAx、OByOBy、OCzOCz，它们与单位，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成：晶面在坐标轴截距的比可写成：19CZOBAXY11晶体晶面的截距表示硅为 式式中中，p p、q q、r r为为没没有有公公约约数数(1(1除除外外)的的简简单单整整数数。为为了了方方便取其倒数得：便取其倒数得：式式中中，h h、k k、l l也也为为没没有有公公约约数数（1 1除除外外）的的简简单单整整数数。依依据据上上述述关关系系式式，可可以以看看出出截截距距OAOAx x、OBOBy y、OCOCz z的的晶晶面面，能能用用三个简单整数三个简单整数h h、k k、l l来表示来表示。h、k、l称为密勒指数称为密勒指数。2020 而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面晶面符符号为号为(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hklhkl。晶面所截的线段对于。晶面所截的线段对于X X轴，轴，O O点之点之前为正，前为正，O O点之后为负；对于点之后为负；对于Y Y轴，轴，O O点右边为正，点右边为正，O O点左边点左边为负；对于为负；对于Z Z轴，在轴，在O O点之上为正，点之上为正，O O点之下为负。点之下为负。C ZOBAXY1121而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为(依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方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。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）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。22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例：例：晶向、晶面、晶面族分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-223例：晶向、晶面、晶面族分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：判断两晶面垂直判断两晶面垂直两晶向两晶向Ah1k1l1 与与Bh2k2l2:24判断两晶面垂直两晶向Ah1k1l1与Bh2k2l2 对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单。如硅单晶中，晶中，(1 1 1)(1 1 1)晶面上的原子密度最大，晶面上的原子密度最大，(1 0 0)(1 0 0)晶面上原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，如也不同，如(1 1 1)(1 1 1)晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(1 0 0)(1 0 0)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。单单晶晶硅硅是是各各向向异异性性的的材材料料，取取向向不不同同，则则压压阻阻效效应应也也不不同同。硅硅压压阻阻传传感感器器的的芯芯片片，就就是是选选择择压压阻阻效效应应最最大大的的晶晶向向来来布布置置电电阻阻条条的的。同同时时利利用用硅硅晶晶体体各各向向异异性性、腐腐蚀蚀速速率率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅的压阻芯片。不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅的压阻芯片。25对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中，三、压阻系数三、压阻系数1 1、单晶硅的压阻系数、单晶硅的压阻系数六个独立的应力分量：六个独立的电阻率的变化率：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。的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。26三、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:27电阻率的变化与应力分量之间的关系:27分析分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应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剪切压阻系数相等正向压阻系数相等正向压阻系数相等横向压阻系数相等横向压阻系数相等分别为纵向、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28分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应分别为纵向、横向和剪切方对对P型硅型硅(掺杂三价元素）：掺杂三价元素）：11、120，只考虑，只考虑44：对对N型硅型硅(掺杂五价元素）掺杂五价元素）：440，12-1/211，晶体导电类型电阻率（.m)111244SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6压阻系数（压阻系数（10-11m2/N）29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/123I：纵向应力纵向应力：横向应力：横向应力：纵向压阻系数纵向压阻系数:横向压阻系数横向压阻系数30pQ2、任意方向（P方向）电阻变化/123I：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:已知：已知：(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦31将各个压阻系数向P、Q方向投影:已知：31关于方向余弦关于方向余弦某晶向某晶向xyz(x,y,zxyz(x,y,z是密勒指数）的方向余弦为是密勒指数）的方向余弦为：32关于方向余弦某晶向xyz(x,y,z是密勒指数）的方向余例例1：计算（：计算（100）晶面内）晶面内011晶向的纵向与横晶向的纵向与横向压阻系数。向压阻系数。（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yxz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、n233例1：计算（100）晶面内011晶向的纵向与34343535例例2：计算（：计算（110）晶面内）晶面内110晶向的纵向与横晶向的纵向与横向压阻系数。向压阻系数。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：取（取（110）晶面内）晶面内 110 晶向的横向为晶向的横向为 00136例2：计算（110）晶面内110晶向的纵向与横设设 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、n237设110与001晶向的方向余弦分别设设 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、n238设110与001晶向的方向余弦分别3939思考题：思考题：如何作出如何作出P P型硅（型硅（100100）晶面内纵）晶面内纵向与横向压阻系数分布图？向与横向压阻系数分布图？P P10910940思考题：如何作出P型硅（100）晶面内纵向与横向压阻系数分布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=24压阻系数与表面杂质浓度NS的关系扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小413、影响压阻系数的因素12014010080604020解释：n：载流子浓度：载流子浓度e：载流子所带电荷：载流子所带电荷：载流子迁移率：载流子迁移率：电阻率：电阻率Ns杂质原子数多杂质原子数多载流子多载流子多 n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 /42解释：n：载流子浓度Ns杂质原子数多载流子多n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43表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快43解释：T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Ns大：受温度影响小受温度影响小高浓度扩散，使高浓度扩散，使p-n结击穿电压结击穿电压绝缘电阻绝缘电阻漏电漏电漂移漂移性能不稳定性能不稳定44解释：T载流子获得的动能运动乱固态压阻压力传感器，诞生于六十年代末期。它较之传固态压阻压力传感器，诞生于六十年代末期。它较之传统的膜合力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片统的膜合力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目前仍是目前仍是压力测量领域最新一代传感器。压力测量领域最新一代传感器。由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在传感种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在传感器市场上，它已是压力传感器中的重要品种，器市场上，它已是压力传感器中的重要品种，并与压电并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。式几乎平分了加速度传感器的国际市场。目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的为特色的智能传感器技术智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器，因此最受瞩目。能复合敏感元件来构成智能传感器，因此最受瞩目。四、固态压阻器件四、固态压阻器件45固态压阻压力传感器，诞生于六十年代末期。它较之传统的膜合力平 利利用用固固体体扩扩散散技技术术，将将P P型型杂杂质质扩扩散散到到一一片片N N型型硅硅底底层层上上，形形成成一一层层极极薄薄的的导导电电P P型型层层，装装上上引引线线接接点点后后，即即形形成成扩扩散散型型半半导导体体应应变变片片。若若在在圆圆形形硅硅膜膜片片上上扩扩散散出出四四个个P P型型电电阻阻，构构成成惠惠斯斯通通电电桥桥的的四四个个臂臂，这这样样的的敏敏感感器器件件通通常常称称为为固固态态压阻器件，如图所示压阻器件，如图所示。1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 1粘贴剂 2硅底座 3引压管 4Si 保护膜 7 引线1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理46利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图图 (a)(a)所示，其阻值的相对变化为：所示，其阻值的相对变化为：式中式中 l l纵向应力；纵向应力；t t横向应力；横向应力；l l纵向压阻系数；纵向压阻系数；t t横向压阻系数。横向压阻系数。力敏电阻受力情况示意图力敏电阻受力情况示意图（a）001100010llttR47当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图(a 在在硅硅膜膜片片上上，根根据据P P型型电电阻阻的的扩扩散散方方向向不不同同可可分分为为径径向向电电阻阻和和切切向向电电阻阻，如如图图 (b)(b)所所示示。扩扩散散电电阻阻的的长长边边平平行行于于膜膜片片半半径径时时为为径径向向电电阻阻R Rr r；垂垂直直于于膜膜片片半半径径时时为为切切向向电电阻阻R Rt t。当当圆圆形形硅硅膜膜片片半半径径比比P P型型电电阻阻的的几几何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下：何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下：trlrttltRrRt（b）48在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向 若若圆圆形形硅硅膜膜片片周周边边固固定定，在在均均布布压压力力的的作作用用下下，当当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为：膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布为：式式中中r r、x x、h h膜膜片片的的有有效效半半径径、计计算算点点半半径径、厚度厚度（m m）；）；泊松系数，硅取泊松系数，硅取=0.35=0.35；P P压力（压力（PaPa）。）。49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trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的应力分布图根据上两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。根据上两式作出曲线就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。x x=0.635=0.635r r时时，r r=0=0；x x0.63500，即为拉应力；，即为拉应力；x x0.6350.635r r时时，r r00，即为压应力。，即为压应力。x x=0.812=0.812r r时时，t t=0=0，仅有，仅有r r存在，且存在，且r r00，即为压应力。，即为压应力。00.5150trrttr3P4rh23P4rh23P(1+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001晶向的晶向的N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110与与110两两晶向扩散四个晶向扩散四个P型电阻条型电阻条xyz51方案一：既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应11011052110110521、在、在110晶向：扩散两个径向晶向：扩散两个径向P型电阻型电阻531、在110晶向：扩散两个径向P型电阻532、在在110晶向：扩散两个切向晶向：扩散两个切向P型型电阻电阻542、在110晶向：扩散两个切向P型电阻54所以所以：55所以：55r电阻变化与电阻变化与r的关系：的关系：56r电阻变化与r的关系：56如：扩散在如：扩散在0.812r处，此时处，此时t=057如：扩散在0.812r处，此时t=057方案二方案二：只利用纵向压阻效应只利用纵向压阻效应 在在110110晶向的晶向的N N型硅膜片上，沿型硅膜片上，沿110110晶向在晶向在0.635r0.635r之内与之外各扩散两个之内与之外各扩散两个P P型电阻条，型电阻条，110110的横的横向为向为001001。110001R1R2R3R458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：59110方向方向余弦：001方向方向余弦：59由由于于在在0.6350.635r r半半径径之之内内r r为为正正值值，在在0.6350.635r r半半径径之之外外r r负值，内、外电阻值的变化率应为负值，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60由于在0.635r半径之内r为正值，在0.635r半径之外1 1、恒压源供电、恒压源供电 扩散电阻起始阻值都为扩散电阻起始阻值都为R R，当有应力作用时，两，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为变化为R Rt t：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611、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：RRt t00时，时，U Uoutout=f(t)=f(t)是非线性关系，恒压源供电是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。不能消除温度影响。62电桥输出为：当Rt=0时：Rt0时，Uout=f(t2、恒流源供电、恒流源供电R1+R1R2-R2UoutR3-R3R4+R4ABCD632、恒流源供电R1+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。但但是是，压压阻阻器器件件本本身身受受到到温温度度影影响响后后，要要产产生生零零点点温温度度漂漂移移和和灵灵敏敏度度温温度度漂漂移移，因因此必须采取温度补偿措施。此必须采取温度补偿措施。64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零点温度漂移是由于零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图。一般用串、并联电阻法补偿，如图所示。其中，所示。其中，R RS S是串联电阻；是串联电阻；R RP P是并联电阻。是并联电阻。串联电阻串联电阻主要起调零作用主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用并联电阻主要起补偿作用。补偿原理。补偿原理如下：如下：R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi653.零点温度补偿R2R4R1R3USC温度漂移的补偿Rp由由于于零零点点漂漂移移，导导致致B B、D D两两点点电电位位不不等等，譬譬如如，当当温温度度升升高高时时，R R2 2的的增增加加比比较较大大，使使D D点点电电位位低低于于B B点点，B B、D D两两点点的的电电位位差差即即为为零零位位漂漂移移。要要消消除除B B、D D两两点点的的电电位位差差，最最简简单单的的办办法法是是在在R R2 2上上并并联联一一个个温温度度系系数数为为负负、阻阻值值较较大大的的电电阻阻R RP P，用用来来约约束束R R2 2的的变变化化。这这样样，当当温温度度变变化化时时，可可减减小小B B、D D点点之之间间的的电电位位差差，以以达达到到补补偿偿的的目目的的。当当然然，如如在在R R3 3上上并并联联一一个个温温度度系系数数为为正正、阻阻值值较较大大的的电电阻阻进进行行补补偿偿，作用是一样的。作用是一样的。R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi66由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，下面给出计算下面给出计算R RS S、R RP P的方法。的方法。设设R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4与与R R11、R R22、R R33、R R44为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，R RS S、R RP P与与R RS S、R RS S分别为分别为R RS S、R RP P在低温与高温下的欲求数值。在低温与高温下的欲求数值。根据低温与高温下根据低温与高温下B B、D D两点的电位应该相等的条件，两点的电位应该相等的条件，得：得：设设R RS S、R RP P的温度系数的温度系数、为已知，则得为已知，则得计算出计算出R RS S、R RP P后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，便可起到温度补偿的作用。便可起到温度补偿的作用。67下面给出计算RS、RP的方法。根据低温与高温下B、D两3 3、灵敏度温度漂移、灵敏度温度漂移漂移的原因：压阻系数随温度变化引起漂移的原因：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，压阻系数；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的变大，说明传感器的灵敏度系数为负值灵敏度系数为负值。683、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：改变电源流电压的方法补偿方法：改变电源流电压的方法69补偿方法：改变电源流电压的方法69 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。将适当数量的二极管串联。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见图。电源采用恒压源，当温度升在电桥的电源回路中，见图。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。桥电源回路，便可以达到补偿的目的。R4R2R1UoutR3方法方法2 2：串联正向二极管：串联正向二极管70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硬件线路补偿软件补偿软件补偿专用补偿芯片补偿专用补偿芯片补偿MCA7707是一种采用是一种采用CMOS工艺的模拟传工艺的模拟传感信号处理器。它通常被应用于于压阻式压感信号处理器。它通常被应用于于压阻式压力传感器的校正和温度补偿。力传感器的校正和温度补偿。71压阻式传感器常用补偿方法硬件线路补偿71MPX4100A系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器72MPX4100A系列集成硅压力传感器72应用三角翼表面压力测量应用三角翼表面压力测量73应用三角翼表面压力测量73压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器悬臂梁悬臂梁单晶硅衬底采用（单晶硅衬底采用（001）晶向，沿）晶向，沿110与与110晶晶向分别扩散二个向分别扩散二个(P型型)电阻条电阻条基座lbh110110m：质量块的质量：质量块的质量(kg)b,h：悬臂梁的宽度和厚度（：悬臂梁的宽度和厚度（m）l：质量块的中心至悬臂梁根部的距：质量块的中心至悬臂梁根部的距离（离（m）a：加速度：加速度(m/s2)74压阻式加速度传感器悬臂梁单晶硅衬底采用（001）晶向，沿微机电系统的微细加工技术微机电系统的微细加工技术微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度有关与掺杂浓度有关,对硅材料进行精细加工对硅材料进行精细加工,制作复杂微小制作复杂微小的敏感元件的技术。的敏感元件的技术。1)1)体型结构腐蚀加工体型结构腐蚀加工 体体型型结结构构腐腐蚀蚀加加工工常常用用化化学学腐腐蚀蚀（湿湿法法）和和离离子子刻刻蚀蚀（干法）技术。（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 该该工工艺艺的的特特点点是是利利用用称称为为“牺牺牲牲层层”的的分分离离层层,形形成成各各种种悬式结构悬式结构。75微机电系统的微细加工技术微细加工技术是利用 如图如图(a)(a)、(b)(b)所示所示,先在单晶硅的（先在单晶硅的（100100）晶面生长一层氧）晶面生长一层氧化层作为光掩膜化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸入氢氟酸再浸入氢氟酸中中,进行氧化层腐蚀。进行氧化层腐蚀。然后将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺邻苯二酚然后将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺邻苯二酚水）对晶面进行纵向腐蚀水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（腐蚀出腔体的界面为（111111）面）面,与（与（100100）表面的夹角为）表面的夹角为54.74,54.74,如图如图(c)(c)所示。所示。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76如图(a)、(b)所示,先在单晶硅的（100）晶面生长一 在在N N型硅（型硅（100100）基底上淀积一层）基底上淀积一层SiSi3 3N N4 4作为多晶硅的绝缘支撑作为多晶硅的绝缘支撑,并并刻出窗口刻出窗口,如图如图(a)(a)所示。利用局部氧化技术在窗口处生成一层所示。利用局部氧化技术在窗口处生成一层SiOSiO2 2作为牺牲层作为牺牲层,如图如图(b)(b)所示。所示。在在SiOSiO2 2层层及及余余下下的的SiSi3 3N N4 4上上生生成成一一层层多多晶晶硅硅膜膜并并刻刻出出微微型型硅硅梁梁,如如图图(c)(c)所所示示。腐腐蚀蚀掉掉SiOSiO2 2层层形形成成空空腔腔,即即可可得得到到桥桥式式硅硅梁梁,如如图图(d)(d)所所示。另外示。另外,在腐蚀在腐蚀SiOSiO2 2层前先溅铝层前先溅铝,刻出铝压焊块刻出铝压焊块,以便引线。以便引线。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77在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为7878结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End结束语79感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日 感谢聆听演讲人：XXXXXX 时 间：XX年80