专题2压阻式固态传感器.ppt

* * 专题2 压阻式固态传感器 * * 1.压阻效应与压阻系数(75到79页） (1) 压阻效应：半导体晶体承受机械力后其电阻值增加或减小的现象。 本征半导体的压阻效应机理解释：半导体承受机械力之后，晶格间隔改变引起其禁带宽度变化导致电阻变化.压阻式传感器基于压阻效应，在半导体材料基片上经扩散电阻而制成。作为敏感元件的基片受外力作用而产生形变，使得在基片上扩散的电阻组成的电桥产生不平衡输出。 测压力和速度的固态硅压阻式传感器应用最为普遍。 * * 1）压阻效应与压阻系数 (2) 压阻系数 由半导体电阻理论可知，电阻率ρ的相对变化为 d?/?=?L ?L = ?L E? ?L: 沿晶向L的压阻系数(m2/N); ?L: 沿晶向L的应力(N/m2); E: 半导体材料的弹性模量(N/m2); ? : 轴向应变。 根据欧姆定律，半导体材料的电阻R因外力作用而发生的 相对变化为: dR/R=d?/?+(1+2?)dL/L 令d?/?=??，则上式可写成 dR/R=??+ (1+2?)dL/L=(?E+1+2?)?=K? 半导体材料的?E比1+2?大许多，1+2?可忽略不计。 * * 4.2.2 压阻效应与器件 1）压阻效应与压阻系数 (2) 压阻系数 对半导体材料，?E1+2?，上式可写为: ?R/R=??/?=?? 其中?为压阻系数、?为应力、?为半导体材料的电阻率。 可见：半导体材料的电阻变化率?R/R主要由Δ?/?引起， 也即由压阻效应产生。在弹性变形限度内，硅的压阻效应可 逆，因此除去应力时，硅的电阻可恢复原数值。 (3)影响压阻系数的因素 主要是半导体材料中扩散杂质的表面浓度和所切割材料 的晶向。扩散杂质表面浓度增加，压阻系数减小。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，压阻系数下降慢。 * * 2）固态压阻器件 (1) 器件的原理、结构 利用固体扩散技术，把P型杂质掺杂到N型硅底层上，形 成一薄层导电P型层，安装引线接点，就制成了扩散型半导 体应变片。 如图所示，在圆形硅膜片上扩散 4个P型电阻，构成惠斯通电桥的四 臂，就得到通常的固态压阻器件。 1—N-Si膜片 2—P-Si导电层 3—黏结剂 4—硅底座 5—引压管 6—SiO2保护膜 7—引线 固态压阻器件结构图 * * 2）固态压阻器件 (2) 测量桥路及其温度补偿 压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，温度影 响会产生零位温度漂移和灵敏度系数温度漂移，另外也明显 地受掺杂浓度、供桥电源和桥路等内部及外部因素影响。 零位温漂即电桥的零位电压随温度的变化。对零位温 漂，一般采用在桥臂上串、并联电阻进行补偿。 为减小温度影响，压阻器件一般用恒 流源供电。如图，若电桥中2个支路的电 阻相等，即RABC=RADC=2(R+?Rt)，则有 IABC=IADC=I /2 因此，电桥的输出可表示为 Usc=UBD=I[(R+?R+?Rt)?(R??R+?Rt)]/2=I?R * * 2）固态压阻器件 (2) 测量桥路及其温度补偿 （a）灵敏度温度补偿: 一般采用在电源回路中串联二极管 的方法补偿灵敏度温漂。 （b）零点温度补偿: 零点温漂是由于桥中4个扩散电阻的阻 值及其温度系数不一致所引起的。一般 采用串、并联电阻法补偿，如图所示， 其中，并联电阻主要起补偿作用，串联 电阻主要起调零作用。 * * 压阻式固态压力传感器  利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。 * * 压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。 * * 压阻式固态 压力传感器 内部结构 信号处理电路 * * 小型压阻式固态压力传感器 高压进气口 低压进气口 绝对压力传感器 * * 小型压阻式固态压力传感器（续） 呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器 p1进气管 p2进气管 固态压力传感器 * * 小型压阻式固态压力传感器（续） 表压压力传感器 p1进气管 * * 投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。 * * 投入式液位计外形（续） 压阻式固态压力传感器 光柱 显示器 橡胶 背压管 * * 投入式液位传感器