1、压阻式传感器压阻式传感器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电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应3 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4PE1PE2PE3=d11d12d12d14d15d16d21d22d23d24d25d26d31d32d
2、33d34d35d36123456PEm=i=16dmii(m=1,2,3;i=1,2,.,6)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。Dm=i=16dmii(m=1,2,3;i=1,2,.,6)F1XY+F1 F10+-P1P2P3 q1=d11F1q1=d12F2A1A2=d11F2A1A2A1:X轴为法线方向的电极面积A2:Y 轴方向的受力面积6 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
3、）电压等效电路 （b）电荷等效电路7 2.2.测量电路测量电路 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。8 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传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成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9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：
4、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。口电路无特殊要求，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，因而分由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。辨率极高。体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高:
5、由于芯体采用集成工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。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，使用带宽可以从零频至设计传感器外型，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 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
6、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
7、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
8、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 硅作为一种优良的半导体材料，已广泛应用于各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。种半导体器件中。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、霍硅还具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。尔效应等。硅既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便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。于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，可作为微传硅成为一种重要的微机电系
9、统材料，可作为微传感器、微执行器的基本材料。感器、微执行器的基本材料。14R=lsd Rd ld sRlsd2(12)d Rd ld ldRldl材料阻值变化材料阻值变化：:为泊松比；：应变15:d引 入：（：为 压 阻 系 数;应 力）(12)d RR电阻相对变化量：电阻相对变化量：对金属材料对金属材料：(12)mdRKR16对半导体材料对半导体材料：sdREKR 式中：压阻系数；E弹性模量；应力；应变。Ed2121ERdR 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
10、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 晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。有规则排列而成。这种多面体的表面由称为这种多面体的表面由称为晶面晶面的许多的许多平面围合而成平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶面与晶面相交的直线称为晶棱晶棱，晶棱晶棱的交点称为晶体的的交点称为晶体的顶点顶点。为了说明晶格点阵的配置和确。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为
11、晶轴晶轴，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 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
12、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：19 式中，式中，p p、q q、r r为没有公约数为没有公约数(1(1除外除外)的简单整数。为了方的简单整数。为了方便取其倒数得：便取其倒数得：式中，式中，h h、k k、l l也为没有公约数（也为没有公约数（1 1除外）的简单整数除外）的简单整数。依。依据上述关系式
13、，可以看出截距据上述关系式，可以看出截距OAOAx x、OBOBy y、OCOCz z的晶面，能用的晶面，能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。rqpOCOCOBOBOAOAzyx:1 1 1:xyzOAOBOCh k lOA OBOCp q r20 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
14、，轴，O O点点之前为正，之前为正，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点左点左边为负；对于边为负；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（
15、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例：例：111(111)111 晶向、晶面、晶面族分别为：晶向、晶面、晶面族分别为：xy111zzxy4-2-2221221(221)23判断两晶面垂直判断两晶面垂直两晶向两晶向Ah1k1l1 与与Bh2k2l2:AB=h1h2+k1k2+l1l2AB=h1h2+k1k2+l1l2=0垂直AB=h1h2+k1k2+l1l20不垂直24 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
16、，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。单晶硅是各向异性的材料单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻效应也，取向不同，则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向
17、异性、腐蚀速率向来布置电阻条的。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d1,2,3,4,5,61,2,3,4,5,6六个独立的应力分量：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:12
18、3456=11121314151621222324252631323334353641424344454651525354555661626364656612345627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11121212111212121144444400000000000000000000000011、12、44分别为纵向、
19、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）：44 0，12 -1/211，晶体导电类型电阻率（.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（10-11m2/N）29pQ2 2、任意方向（、任意方向（P P方向）电阻变化方向）电阻变化/123I/dRR ：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30将各个压阻系数向将各个压阻系
20、数向P P、Q Q方向投影方向投影:/=112(111244)(l12m12+m12n12+l12n12)=12+(111244)(l12l22+m12m22+n12n22)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关于方向余弦关于方向余弦l=xx2+y2+z2=cosn=zx2+y2+z2=coscos222zyxym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 例例1：计算（：计算（100）晶面内）晶面内011晶向的纵向与横向晶向的纵向与横向压阻系数。压阻系数。（100）晶面内晶
21、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、n233l1=0m1=112+12=12n1=112+12=12l2=0m2=1(1)2+12=12n2=1(1)2+12=12/=112(111244)121212(11+12+44)=12+(111244)(1212+1212)12(11+1244)/=112(111244)(l12m12+m12n12+l12n12)=12+(111244)(l12l22+m12m22+n12n22)341112/444401122P 对 型硅：441
22、211/111110,21144N 对 型硅：35 例例2：计算（：计算（110）晶面内）晶面内110晶向的纵向与横向晶向的纵向与横向压阻系数。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：1h+1k+0l=0h=k取（取（110）晶面内）晶面内 110 晶向的横向为晶向的横向为 001一般形式为：hhl36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、n2n1=0l1=112+(1)2=12m1=112+(1)2=12l2=0m2=0n2=137设设 110 与与 001 晶向的方
23、向余弦分别为：晶向的方向余弦分别为：l1、m1、n1,l2、m2、n2n1=0l1=112+(1)2=12m1=112+(1)2=12l2=0m2=0n2=138/=112(111244)121212(11+12+44)=12+(111244)012对P型硅：/=1244=0对N 型硅：/=1411=121139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 P109109403 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。12014010080604
24、0201018101910201021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41解释：1nen：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
25、降慢表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢43=1ne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
26、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
27、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 利用固体扩散技术，将利用固体扩散技术，将P P型杂质扩散到一片型杂质扩散到一片N N型硅底层型硅底层上，形成一层极薄的导电上，形成一层极薄的导电P P型层，装上引线接点后，即形成型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个。若在圆形硅膜片上扩散出四个P P型电型电阻，构成惠斯通电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为阻，构成惠斯通电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示固态压
28、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 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llttRR （a）001100010llttR47 在硅膜片上，根据在硅膜片上，根据P P型电
29、阻的扩散方向不同可分型电阻的扩散方向不同可分为为径向电阻径向电阻和和切向电阻切向电阻，如图，如图 (b)(b)所示。扩散电阻的所示。扩散电阻的长边平行于膜片半径时为长边平行于膜片半径时为径向电阻径向电阻R Rr r；垂直于膜片半；垂直于膜片半径时为径时为切向电阻切向电阻R Rt t。当圆形硅膜片半径比。当圆形硅膜片半径比P P型电阻的几型电阻的几何尺寸大得多时，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：ttrlrRRrttltRRtrlrttltRrRt（b）llttRR 48 若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用
30、下，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：式中式中r r、x x、h h膜片的膜片的有效半径有效半径、计算点半径计算点半径、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）。）。2223138rPrxh222311 38tPrxh49trrttr3P4rh23P4rh23P(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 x0.635
31、00，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。00.5150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110两晶向扩散四个两晶向扩散四个P型电阻条型电阻条xyz51(RR)r=/11+=/r+t(RR)t=/11+=/t+r11011052 1、在、在110晶向：扩散两个径向晶向：扩散两个径向P型电
32、阻型电阻222 22 2/44111 1112()l mmnl n11111022lmn/44122 22222441 21212()l lm mn n22211022lmn4412532、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222222/441111112()l mm nl nl1=12m1=12n1=0/4412l2=12m2=12n2=04412 2 22222441 21212()l lm mn n 54所以所以：24444213()(1)28rtrRprRh 24444213()(1)28rttRprRh(RR)r=(RR)t55(RR)r(RR)t(RR)r
33、电阻变化与电阻变化与r的关系：的关系：56如：扩散在如：扩散在0.812r处，此时处，此时t=0(RR)r=/r=1244r(RR)r=(RR)t(RR)t=r=1244r57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。110001R1R2R3R458l1=12m1=12n1=0/=1244l2=0m2=0n2=1=0(RR)=/+=1244r110方向方向余弦：方向方向
34、余弦：001方向方向余弦：方向方向余弦：59由于在由于在0.6350.635r r半径之内半径之内r r为正值，在为正值，在0.6350.635r r半径之半径之外外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4412riiRR 4412rooRR riro(RR)i(RR)oriroioRRRR 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601 1、恒压源供电、恒压源供电 扩散电
35、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61电桥输出为：电桥输出为：()()itoutttitttU RRRURRRRRRU RRRRRRRRR outitRUURR 当当R Rt t=0=0时时：outiRUURR Rt t00时，时，U Uoutout=f(=f(t)t)是非线性关系，恒压源供电不是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。能消除温
36、度影响。622、恒流源供电、恒流源供电RABC=RADC=2(R+Rt)IABC=IADC=12IR1+R1R2-R2UoutR3-R3R4+R4ABCD63outUIRoutUR 11()()22outttUI RRRI RRR 可见，可见，电桥输出与电阻变化成正比电桥输出与电阻变化成正比，即与被，即与被测量成正比测量成正比，与恒流源电流成正比与恒流源电流成正比，即与恒流源，即与恒流源电流大小和精度有关。但电流大小和精度有关。但与温度无关与温度无关，因此不受，因此不受温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因
37、后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。此必须采取温度补偿措施。643.3.零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RpBCDARSEDi65 由于零
38、点漂移，导致由于零点漂移，导致B B、D D两点电位不等，譬如，两点电位不等，譬如，当温当温度升高时度升高时，R R2 2的增加比较大，使的增加比较大，使D D点电位低于点电位低于B B点，点，B B、D D两两点的电位差即为零位漂移。要消除点的电位差即为零位漂移。要消除B B、D D两点的电位差，最两点的电位差，最简单的办法是在简单的办法是在R R2 2上并联一个温度系数为负、阻值较大的上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻电阻R RP P，用来约束，用来约束R R2 2的变化。这样，当温度变化时，可减的变化。这样，当温度变化时，可减小小B B、D D点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，
39、如在点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，如在R R3 3上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行补偿，上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行补偿，作用是一样的。作用是一样的。R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi66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为四为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，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
40、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：21234PSPR RRRRRRR 21234PSPR RRRRRRR 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TRRSS 1TRRPP 1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。673 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
41、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。68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inoutRUURinoutoutRTURUUinoutoutRTURUU69 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
42、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
43、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。71MPX4100A系列集成硅压力传感器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lbh110110l=6mlbh2a(N/m2)m：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
44、根部的距离（离（m）a：加速度：加速度(m/s2)74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 体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀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。（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该工艺的特点是利用称为“牺牲层牺牲层”
45、的分离层的分离层,形成各种形成各种悬式结构悬式结构。75(2)光刻和腐蚀氧化层(b)热生成硅氧化膜单晶硅(100)面基片(1)氧化的硅基片(a)光敏胶(3)各 向 异 性 腐 蚀 硅(c)(111)硅平面54.74 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,再浸入氢氟再浸入氢氟酸中酸中,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）
46、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54.7454.74,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76N-Si100Si3N4SiO2PoLy-SiAl空气腔(a)(b)(c)(d)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,并刻出窗口并刻出窗口,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
47、牲层作为牺牲层,如图如图(b)(b)所示。所示。在在SiOSiO2 2层及余下的层及余下的SiSi3 3N N4 4上生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁上生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁,如如图图(c)(c)所示。腐蚀掉所示。腐蚀掉SiOSiO2 2层形成空腔层形成空腔,即可得到桥式硅梁即可得到桥式硅梁,如图如图(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 7778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
