第八章压阻式传感器ppt课件.ppt

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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8.5.1压阻式压力传感器8.5.2压阻式加速度传感器8.6压阻式传感器的测量电路及补偿8.6.1恒压源供电8.6.2恒流源供电8.6.3减小在扩散工艺中的温度影响8.7压阻式传感器的应用·§§§§§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。压阻效应：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。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。

2、扩散型压阻式传感器：传感元件是利用集成电路，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。X压阻式传感器8.1压阻式传感器的工作原理任何材料电阻的变化率都由下式决定对金属，∆ρ/ρ较小，而Δl/l、Δs/s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、Δs/s两项引起，这就是金属应变片的基本工作原理。对半导体，Δl/l、Δs/s两项很小，即尺寸的变化率很小，∆ρ/ρ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∆ρ/ρ一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理。X如果引用p----为压阻系数，s-----应力，再引进横

3、向变形的关系，则电阻的相对变化率可写成式中k——灵敏系数；μ----为泊松系数，ε---应变E----弹性模量。X对金属，πE可忽略不计，而泊松系数μ=0.25～0.5，故近似地有；对半导体，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。结论：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，晶格产生变形，载流子的迁移率发生变化，使硅的电阻率发生变化。电阻变化率随硅晶体的取向不同而不同，即：硅的压阻效应与晶

4、体的取向有关。X晶向、晶面、晶面族分别为<>、（）、{}晶向、晶面、晶面族分别为<111>、（111）、{111}晶向、晶面、晶面族分别为<100>、（100）、{100}X晶向的表示方法对于同一个单晶硅晶体，不同晶面上原子分布不同、所表现的物理性质不同，压阻效应也不同。硅压阻传感器的硅芯片选择：压阻效应最大的晶向来布置电阻条。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。X8.3压阻系数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：式中sl——纵向应力

5、；st——横向应力；ss——与纵向应力和横向应力垂直的应力。pl——纵向压阻系数；pt——横向压阻系数；ps——与纵向和横向垂直的压阻系数。ss比st、sl小很多，一般略去。pl表示应力作用方向与通过压阻元件的电流方向一致，pt表示应力作用的方向与通过压阻元件的电流方向垂直。X当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为在此情况下，式中的pl、pt值可用p11、p12、p44表示为式中p11、p12、p44——分别为压阻元件的纵向、横向及剪切向压阻系数，是硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。l1、m1、n1——分别为压阻元件纵

6、向应力相对于立方晶轴的方向余弦；l2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；X单晶硅的晶面虽然很多，但是制作压力传感器，总是在某一晶面上选择两个互相垂直的晶向作为坐标轴，也就是说，扩散电阻要么垂直于X轴，要么垂直于Y轴，。实验证明，在（100）晶面上有最大的压阻系数，对于P型硅来讲，其最大压阻系数为：p1=∣pt∣≤p44/2P型硅纵横向压阻系数其绝对值相等。对于N型硅来讲，其最大压阻系数为：N型硅纵横向压阻系数大小相等。X8.5压阻式传感器的结构与设计8.5.1压阻式压力传感器压阻式压力传感器常采用一种周边固支圆形杯

7、膜片结构的扩散型压阻芯片.X1．扩散电阻条值及位置的确定在<001>晶向的N型圆形硅膜片上，沿<011>与二晶向利用扩散的方法扩散出四个P型电阻。X二个径向电阻变化率：二个衡向电阻变化率：在晶向，纵向和横向压阻分别系数为在<011>晶向，纵向和横向压阻系数为X作出和与r的关系曲线，如图所示。r愈大时，与的数值愈大，所以最好将四个扩散电阻放在膜片有效面积边缘处，可获得较高的灵敏度。X纵向和横向的电阻变化率是大小相同的。2．两种常用的压阻式压力传感器的设计方法设计方案一：这种设计方法是将四个电阻沿二晶向扩散在rI=0.812r处。这时因st=0，

8、只有sr存在，得到这种方法设计的电阻相对变化率的数值显然要小于边沿扩散的类型，大约为1/3左右。X设计方案二：同理在r=0.635R处，sr=0，只有st存在，其电