传感器原理孟立凡蓝金辉cgq

《传感器原理孟立凡蓝金辉cgq》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第8章压阻式传感器8.1压阻式传感器的工作原理8.2晶向的表示方法8.3压阻系数8.4影响压阻系数的因素8.5压阻式传感器的结构与设计8.6压阻式传感器的测量电路及补偿8.7压阻式传感器的应用固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。分类:粘贴型压阻式传感器(传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片)扩散型压阻式传感器(它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。8.1压阻式传感器的工作原理任何材料电

2、阻的变化率都由下式决定对金属而言，上式中的第一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而Δl/l与Δs/s两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要是由Δl/l与Δs/s两项引起的，这就是金属应变片的基本工作原理。对半导体而言，上式中的Δl/l与Δs/s两项很小，即尺寸的变化率很小，可忽略不计，而一项较大，也就是电阻率变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。如果引用式中p为压阻系数，s为应力，再引进横向变形的关系，则电阻的相对变化率可写成式中k——灵

3、敏系数对金属来讲，πE有时可忽略不计，而泊松系数μ=0.25～0.5，故近似地有对半导体来讲，1+2μ可忽略不计，而压阻系数π=（40～80）×10-11Pa，弹性模量E=1.67×1011Pa，故式中ky——半导体材料的灵敏系数。此式表示，压阻式传感器的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的50～100倍。综上所述，半导体材料电阻变化率ΔR/R主要是由Δr/r引起的，这就是半导体的压阻效应。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，它使载流子产生从一个能谷到另一个能谷的散射，载流子的迁移率发生变化，扰动了纵向和横向的平均

4、有效质量，使硅的电阻率发生变化。这个变化率随硅晶体的取向不同而不同，即硅的压阻效应与晶体的取向有关。CZOBAXY11晶体晶面的截距表示硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示。8.2晶向的表示方法扩散型压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位

5、晶面在坐标轴截距的比可写成式中，p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。为了方便取其倒数得式中，h、k、l也为没有公约数（1除外）的简单整数。依据上述关系式，可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。而晶向是晶面的法线方向，我国规定用表示晶向，用（hkl）表示晶面，用{hkl}表示晶面族。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。在立方晶体中，所有的原子可看成是分布在与上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在与两侧

6、晶面相平行的一簇晶面上，要区分这不同的晶面，需采用密勒指数来对晶面进行标记。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时，密勒指数就是1、1、1。CZOBAXY11晶体晶面的截距表示若晶面与任一晶轴平行，则晶面符号中相对于此轴的指数等于零，因此与X轴相交而平行于其余两轴的晶面用(100)表示，其晶向为<100>；与Y轴相交面平行于其余两轴的晶面为(010)，其晶向为<010>；与Z轴相交而平行于X、Y轴的晶面为(001)，晶向为<001>。同理，与X、Y轴相交而平行于Z轴的晶面为(110)，其晶向为<110>；其余类推。硅

7、立方晶体内几种不同晶向及符号如图。由于是立方晶体，（100）、（010）（001）三个面的特性是一样的，因此<100>、<010>、<001>有时可通用，均可用<100>表示。这是泛指的，如指某一固定的晶向时，则不能通用。对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中，(111)晶面上的原子密度最大，(100)晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同，所表现出的性质也不同，如(111)晶面的化学腐蚀速率为各向同性，而(100)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。相应的压阻效应也不同。硅压阻传感器的硅芯片，就是选择

8、压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。常用的晶向为<001>、<011>、<111>三个晶向。通常在这三个晶向上扩散电阻有最大压阻系数。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杯形的压阻芯片。应力作用在单晶硅上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。电阻的相对变化与应力的关系如下式所示。在正交坐标系统，坐标轴与晶轴一致时，有式中sl——纵向