压阻式压力传感器.docx

1、压阻式压力传感器第二节 压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。1.基本工作原理 根据式（23）式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为(222)式中为

2、沿某晶向的压阻系数，为应力，为半导体材料的弹性模量。如半导体硅材料，, ，则，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数 (12)大很多。可近似认为。半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。所谓晶向，就是晶面的法线方向。晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。1截距法 设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z，如图229所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t(223)

3、1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作a b c，某数（如a）为负数则记作 b c。例如图230(a)，截距为2、2、4，截距倒数为、，密勒指数为 1。图230(b)截距为1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为1 1 1。图230(c)中ABCD面，截距分别为1、，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为1 0 0。2法线法 如图229所示，通过坐标原点O，作平面的法线OP，与x、y、z轴的夹角分别为、。(224)cos、cos、cos为法线的方向余弦，如果法线p的大小与方向已知，则该

4、平面就是确定的。如果只知道p的方向，而不知道大小，则该平面的方位是确定的。若通过p在x、y、z坐标系中作长方形，与x、y、z的交点分别为L、M、N。方向余弦也可用l、m、n来表示，其中，。对同一个平面，则可由（223）式或（224）式表示，则由（224）得(225)比较式（223）与式（225）则有可见，用密勒指数或用方向余弦皆可表示晶向。为了求取任意晶向的压阻系数，必须先了解晶轴坐标系内各向压阻系数。如果将半导体材料沿三个晶轴方向取一微单元，如图231所示。当受有作用力，微单元上的应力分量应有9个，只是剪切应力总是两两相等，即，。因此应力分量中仅有6个独立分量。即、 、。有应力就会产生电阻率

5、变化，6个独立应力分量可在6个相应方向产生6个独立电阻率变化，若电阻率变化用符号表示，则相应为、，电阻率的变化率与应力之间的关系是由压阻系数表征，则可列成下表根据上表，可写出下列矩阵方程 矩阵中的压阻系数有如下特点：1剪切应力不可能产生正向压阻效应，矩阵中右上块内各分量应为零，即；2正向应力不可能产生剪切压阻效应，矩阵中左下块内各分量应为零，即；3剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应，因此只剩下、三项。而其余。4单晶硅是正立方晶体，考虑到正立方体的对称性，则正向压阻效应应相等，故；横向压阻效应应相等，故；剪切压阻效应应相等，故。因此压阻系数的矩阵为(226)由此矩阵可以看出，独立的压阻系数

6、分量只有、三个，称为纵向压阻系数；称为横向压阻系数；称为剪切压阻系数。必须强调的是，上列矩阵是相对晶轴坐标系推导得出的，因此、是相对三个晶轴方向而言的三个独立分量。当电阻方向不在晶轴方向时，或应力不在晶轴方向时，压阻张量要从一个坐标系变换到晶体主轴坐标系。计算较复杂，这里不进行讨论。当硅膜比较薄时，可以略去沿硅膜厚度方向应力，三维向量就简化成了一个二维向量，任何一个膜上的电阻在应力作用下的 电阻相对变化为：(227)式中纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力横向应力3.温度误差及其补偿 由于半导体材料对温度比较敏感，压阻式传感器的电阻值及灵敏系数随温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移。图232所示

7、在不同杂质浓度下，P型硅的压阻系数与温度的关系。掺杂浓度较低时，压阻系数较高，而它的温度系数也较大，反之，掺杂浓度高时，它的温度系数可以很小，但压阻灵敏度系数太低。一般不采用高掺杂的办法来降低温度误差。压阻式传感器一般扩散四个电阻，并接入电桥。当四个扩散电阻阻值相等或相差不大，温度系数也一样，则电桥零漂和灵敏度漂移会很小，但工艺上很难实现。零位温漂一般可用串、并联电阻的方法进行补偿。如图233所示，串联电阻Rs起调零作用，并联电阻RP则主要起补偿作用，RP是负温度系数电阻，当然R4上并联正温度系数电阻也可以。Rs、RP值和温度系数要选择合适。要根据四臂电桥在低温和高温下实测电阻值计算出来，才能

8、取得较好的补偿效果。电桥的电源回路中串联的二极管是补偿灵敏度温漂的。二极管的PN结压降为负温度特性，温度每升高1，正向压降减小1.92.4mV。若电源采用恒压源，电桥电压随温度升高而提高，以补偿灵敏度下降。所串联二极管数，依实测结果而定。4.压阻式传感器举例 .半导体应变式传感器这种传感器常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，如图230所示：其使用方法与金属应变片相同。因为式中（12）项是半导体材料几何尺寸变化引起的，与一般电阻丝式相差不多，而项是压阻效应引起的，其值比前者大近百倍，故（12）项可忽略，因此半导体应变片的灵敏系数近似为。半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大，可测微小应变，尺寸小，

9、横向效应和机械滞后也小。主要缺点是温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必须采取补偿措施。此外，灵敏系数随拉伸或压缩而变，且分散性大。2.压阻式压力传感器压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。结构如图231(a)所示，其核心部分是一块沿某晶向(如1 0)切割的N型的圆形硅膜片（见图235(b)）。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力P作用下，膜片产生应力和应变。膜片上各点的应力分布由式（220）和式（221）给出。当时，径向应力为零值。四个电阻沿1

10、1 0晶向并分别在x=0.635r处的内外排列，在0.635r之内侧的电阻承受的为正值，即拉应力（见图225(b)），外侧的电阻承受的是负值，即压应力。由于1 1 0晶向的横向为0 0 1，因此，代入式（229）内外电阻的相对变化为式中 、内、外电阻上所承受径向应力的平均值。设计时，要正确地选择电阻的径向位置，使,因而使。使四个电阻接入差动电桥，初始状态平衡，受力P后，差动电桥输出与P相对应。为了保证较好的测量线性度，要控制膜片边缘处径向应变。而膜片厚度为h式中 ;膜片边缘允许的最大径向应变。压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。固

11、有频率可按下式计算式中 硅片的密度（kg/m2）压阻式压力传感器广泛用于流体压力、差压、液位等的测量。特别是它的体积小，最小的传感器可为0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。3.压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器采用单晶硅作悬臂梁，在其近根部扩散四个电阻，见图233。 当梁的自由端的质量块受到加速度作用时，在梁上受到弯矩和应力，使电阻值发生变化。电阻相对变化与加速度成正比。由四个电阻组成的电桥将产生与加速度成正比例电压输出。为了保证传感器输出有较好的线性度，悬臂梁根部的应变不应超过400500，可由下式计算式中 m质量块质量l梁长度b梁宽度h梁高度压阻式加速度传感器测量振动加速度时，固有频率应按下式计算在设计时，恰当地选择传感器尺寸及阻尼系数，则可用来测量低频加速度与直线加速度。