压阻及压电传感器word版本.ppt

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1、第五章压阻及压电传感器压阻效应的概述压阻传感器材料-金属应变计-单晶硅-多晶硅压阻传感器的应用压电敏感的概述压电材料的特性-石英-PZT-PVDF-ZnO-其他材料应用压阻效应的概述---压阻效应的起源和表达式压阻效应是LordKelvin于1856年首发现的，它是一种广泛应用的传感器原理。这种效应为机械能和电能之间提供了一种简单直接的能量与信号转换机制。今天它已经运用在MEMS领域的很多传感器应用中，包括加速度计、压力传感器、生物传感器等。压阻效应的概述---压阻敏感原理当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力

2、的存在使得压敏电阻的阻值发生变化电阻的基本关系式电阻率的变化率电阻的变化率其中，为压阻系数压阻变化的具体过程1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化引起，因此起主要作用；2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此起主要作用；3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏电阻，电阻的变化率与应力的关系为：其中主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数P型压敏电阻的变化率为N型压敏电阻的变化率为压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥惠斯顿电桥连接图S+S2-S1-O-O+输出电压金属应变计典型的应变计形状如右图所示。通

3、常用之字形的导电通路以便在给定面积下来有效的增加电阻的长度和总电阻的大小。压阻传感器材料---金属应变计金属应变计金属应变计是商业化的器件，经常被制作成金属包层的塑料片形式，然后黏附到所研究的机械薄膜表面。电阻刻蚀进金属镀层中。金属电阻通常通过淀积（蒸发或溅射）然后成型。应变系数范围从0.8到3.0的单元素金属薄膜可以用作MEMS中的应变计。单元素金属薄膜的来源和淀积工艺都已经成熟可用。就压阻系数而言，由薄膜金属制作的应变计没有半导体应变计的性能优越。但是对于很多应用来说，金属应变计可以提供足够的性能。而在制备工艺的简单性和成熟度，以及金属可提供足够的延伸量，都使其在温度和可靠性方面有一定的

4、优势。压阻传感器材料---单晶硅和多晶硅单晶硅半导体应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。电阻的主题部分应该中等掺杂（）。电阻的两段应该由更高的掺杂浓度，在数量级，从而使它可以与金属引线形成欧姆接触。多晶硅对于MEMS压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。压阻传感器材料---单晶硅和多晶硅单晶硅半导体应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。电阻的主题部分应该中等掺杂（）。电阻的两段应该由更高的掺杂浓度，在数量级，从而使它可以与金属引线形成欧姆接触。压阻传感器材料---单晶硅和多晶硅压阻系数（10-11

5、Pa-1）N型（电阻率=11.7Ωcm）P型（电阻率=7.8Ωcm）π11-102.26.6π1253.4-1.1π44-13.6138.1应变方向电流方向结构压阻系数<100><100>纵向π11<100><010>横向π12<110><100>纵向（π11+π12+π44)/2<110><1-10>横向（π11+π12-π44)/2<111><111>纵向（π11+2π12+π44)/2例5-1当设计硅电阻时必须仔细选择合适的掺杂浓度。成功的设计必须在以下几个要求之间进行折中，即有可观的电阻值，使压阻系数最大化，温度效应最小化。掺杂浓度会影响这三个性能。压阻的电阻温度系数（TCR）理想情

6、况下应该尽可能的小，从而减小温度的变化。多晶硅对于MEMS压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。机械元件的应力分析能够分析在给定的外加作用力或扭矩下机械元件的应力和应变分布是重要的。考虑悬臂梁，在它的自由端施加有集中的、横向负载力，横向应力负载会引起纵向应变和剪应变，在此我们忽略剪应力分量。对纵向应力的分步进行定性描述。在自由端的横向集中负载作用下，横梁的转矩分布不均匀---在自由端是零而在固定端达到最大值。在任何横截面，通过中性轴的纵向应力改变符号。在横截面的任意点，应力的大小与到中性轴的距离成线性关

7、系。图均匀对称悬臂梁中的应力分布与每个横截面相关的的最大应力值随着到自由端的距离而呈线性变化，并且对每个横截面在上下表面达到最大值。这也就是压阻经常放置在悬臂梁的表面和靠近固定端的原因。图带压阻的悬臂梁设计实际上，压阻总是有固定的长度和厚度。如果电阻是对硅横梁掺杂形成的，压阻器件将位于表面位置的下方（下图a所示）。另一方面，如果电阻是通过沉积多晶硅或金属层形成的，压阻器件将位于表面的下方（图b所示）。压阻式挠