第8章压阻式传感器解读
压阻式压力传感器
掩膜版
步骤四：标准淡硼预扩散或离子注入，在经过标准再分布或退火 形成方块电阻率在80-250W可控的压阻，结深1-3微米。
• 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终不变。
• 有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先淀积一层杂质，在 整个扩散过程中以这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源 补充。
1 硅片的清洗处理
2涂胶：涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
3 前烘：经过甩胶之后的光刻胶虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但含有10%~ 30%的溶剂，容易沾染灰尘。通过在较高温度下进行烘焙，使溶剂从光刻胶中挥发出来。 4 对准与曝光：曝光的光源为紫外光的汞灯，形成平行光束垂直照射到硅片上。受到光照 的光刻胶发生光化学反应，其内部分子结构发生变化。 5 显影：把曝光后的基片放在显影液里，将应除去的光刻胶膜溶除干净，以获得所需要 光刻胶的图形。
2）湿氧氧化：氧气通过盛有950C高纯去离子水的石英瓶后携带水汽到硅片 表面发生氧化反应： Si+O2SiO2 Si+2H2OSiO2+2H2 优点：生长速率较快；缺点：与光刻胶粘附性不好。
（3）氢氧合成氧化：在常压下分别是将纯H2 和纯氧直接通入石英管内，使之在一定温度燃 烧生成水，水在高温下氧化后与硅反应生成 SiO2，生长速度比湿氧快，膜质量好、纯度高。
• 两步扩散：实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，在
这样的温度范围内，常用杂质，如硼、砷等在硅中的固溶度
随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低表面
浓度的杂质分布形式。实际生产中将扩散过程分为两步完成。
其中第一步称为预扩散或者预淀积，第二步称为主扩散或再
第8章压阻式传感器
π l = π 11 − 2 (π 11 − π 12 − π 44 ) l12 m 12 + n12 l12 + m 12 n12
2 2 2 2 π t = π 12 + (π 11 − π 12 − π 44 ) l12 l 2 + m12 m2 + n1 n2
(
(
)
)
式中 分别为压阻元件的纵向、 分别为压阻元件的纵向 π11、 π12、 π44——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。 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——分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的 分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的 方向余弦； 方向余弦； l 2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的 分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的 方向余弦； 方向余弦
式中 压阻元件的电流方向垂直。 压阻元件的电流方向垂直。
∆R = π lσ l + π t σ t + π s σ s R
8.3 压阻系数
当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时， 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
∆ R R = π
lσlຫໍສະໝຸດ + πtσ
t
在此情况下， 在此情况下，式中的πl、πt 值可用π11、π12、π44表示为
8.2 晶向的表示方法
（2）法线式
x cos α + y cos β + z cos γ = p − − − − − −(2)
p －－－法线长度 －－－法线长度
cos α , cos β , cos γ －－－法线的方向余弦，也可 －－－法线的方向余弦 法线的方向余弦，
压阻应变片式压力传感器详解
2
3.1压力传感器
扩散型压阻式压力传感器特点：
3.1压力传感器
压阻式加速度传感器： 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在器根部两面。
恒压源：
A
D
B
C
输出电压与 成正比，输出电压受环境温度的影响.
恒流源：
输出电压与 成正比，环境温度的变化对其没有影响.
测量电路：
四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr 和切向应力 σt 分布情况确定。
设计时适当安排电子的位置，可以组成差点电桥。
3
2
1
4
优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，测出十几帕德微压，长期稳定性好，之后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。
1
测量准确度受到非线性和温度的影响，智能压阻式压力传感器利用微处理器对费线性和温度进行补偿。
上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应的。
扩散硅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，取向不同其特性不一样，而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。
3.1压力传感器
优点：
灵敏系数高，k =30～ 175（而电阻丝其值约在 1.6～ 3.6 之间)； 机械滞后小、横向效应小及本身体积小。
压阻式压力传感器
• 1.阻位于四个边缘的中间，当膜上均匀的施加压力差时膜发生弯曲，这些压 阻的位置对应于最大张应力的区域。四个电阻组成惠斯通电桥结构。
二.制造方法
三.主要性能
• ①压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器 的灵敏度系数要大50-100倍。有的时候压阻式压力传感器 的输出不需要放大器就可直接进行测量。 • ②由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重 量轻。 • ③压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压。 • ④频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。 • ⑤由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上， 所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。 • ⑥由于采用半导体材料硅制作，传感器对温度比较敏感， 如不采用温度补偿，其温度误差较大。
四.指标参数
• 常用的压阻式压力传感器性能参数
五.封装方式
• 这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上, 制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内， 引出电极引线。压阻式传感器又称为固态压力传感器，它 不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力， 而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与 被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为 20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并 接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区， 相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一 晶面的一定方向上扩散制作电阻条 ，两条受拉应力的电 阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
压阻式压力传感器
杜毛强 杨奥运 王耀华
压阻式压力传感器
• • • • • 一.原理 二.制造方法 三.主要性能 四.指标参数 五.封装方式
压阻式传感器
（4）压阻式传感器的应用
压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力 传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化， 已有直径为0.8mm的压力传感器。
➢ 恒流工作测压电路
传感器为需恒流1.5mA驱 动的扩散硅绝对压力传感器。
当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的 电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片 所受压力差值。
(a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。
（3）压阻式传感器的温度漂移
由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化 影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。
半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载 流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。
❖ 半导体应变片的制作方法
1. 将半导体材料按所需晶向切割成片或条，
粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅
使用，称作“体型半导体应变片”。
2. 将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。
（1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理 （3）压阻式传感器的温度漂移 （4）压阻式传感器的应用
（1）半导体材料的压阻系数
材料电阻的变化为
R 1 2
R
对半导体材料， 1 2 ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化
可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即 R
❖ 半导体电阻应变片的测量电路
一般采用直流电桥电路，但须 采用温度补偿措施，如图所示。
压阻式压力传感器的工作原理
压阻式压力传感器的工作原理
一、引言
1.1 任务背景
1.2 任务目的
二、压力传感器的分类
2.1 压力传感器的基本原理
2.2 主要分类方法
三、压阻式压力传感器概述
3.1 压阻式传感器的定义
3.2 压阻式传感器的优势
3.3 压阻式传感器的应用领域
四、压阻式压力传感器的结构组成
4.1 压阻式传感器的基本结构
4.2 压阻式传感器的材料选择
4.3 压阻式传感器的制作工艺
五、压阻式压力传感器的工作原理
5.1 压阻式传感器的基本工作原理
5.2 压阻式传感器的压力测量原理
5.2.1 钢片弯曲原理
5.2.2 半导体材料压阻效应原理
5.2.3 液体柱压弯曲原理
六、压阻式压力传感器的特性与参数
6.1 线性度
6.2 灵敏度
6.3 频率响应
6.4 温度特性
七、压阻式压力传感器的应用案例
7.1 工业领域应用案例
7.2 汽车领域应用案例
7.3 医疗领域应用案例
八、压阻式压力传感器的未来发展方向
8.1 微型化
8.2 特殊材料应用
8.3 无线通信技术的应用
九、总结
以上是对压阻式压力传感器的工作原理的全面详细探讨。
压阻式压力传感器是一种应用广泛的传感器，具有灵敏度高、精度高、可靠性好等优势。
文章通过对传感器的基本工作原理、传感器结构组成、工作过程和特性参数等方面的分析，展示了压阻式压力传感器的优势和应用。
未来，压阻式压力传感器有着更广阔的发展前景，例如微型化、特殊材料应用和无线通信技术的应用等。
随着科技的进步，压阻式压力传感器在各个领域的应用将会越来越重要。
压阻式传感器原理
压阻式传感器原理
压阻式传感器是一种将物理量转换为电阻变化的传感器。
它由弹性层、电阻层和基底层组成。
当物体施加在传感器上的压力变化时，弹性层会产生弯曲变形，进而引起电阻层内阻值的改变。
当外部施加压力时，弹性层会发生变形，使其对电阻层施加应力。
电阻层是由导电材料制成的，应力的改变会导致导电材料的电阻值发生变化。
通常情况下，当传感器受到更大的压力时，导电材料的电阻值会减小，反之则会增加。
为了测量电阻层的电阻值变化，需要将传感器连接到一个电路中，通常是一个电桥电路。
电桥电路会通过测量电阻层两个相对端口之间的电压，来确定电阻层的电阻值。
从而可以将物理量转化为电信号。
压阻式传感器的原理可以用于测量各种物理量，如力、压力、重量等。
通过校准和精确设计，可以实现高精度的测量。
压阻传感器的原理与结构
2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
1—靶,2—阴极, 3—直流高压, 4—阳极,5—基片, 6—惰性气体入口, 7—接真空系统。
4.压阻式传感器的制造工艺
1.薄膜技术---化学气相淀积 化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与 另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积 物质,淀积在基底上生成薄膜。
(a )
(b )
(c)
压阻式传感器的制造工艺
2.微细加工技术---表面腐蚀加工
该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层,形成各种 悬式结构。
Si3 N4 SiO2
N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
5.压阻式传感器的测量电路
压阻式传感器的测量电路
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片
2.压阻式传感器的结构
压阻式传感器的结构
压阻传感器采用集成工艺将电阻条集成在单 晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周 边固定封装于外壳之内，引出电极引线（如 图）。压阻式压力传感器又称为固态压力传感 器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元 件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被 测压力的。图中硅膜片的一面是与被测压力连 通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形。在圆形硅 膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全 桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应 力区，相对于膜片中心对称。
1.薄膜技术---真空蒸镀
2 1 3
4
在真空室内,将待蒸发的材料 置于钨丝制成的加热器上加热,当 真空度抽到0.0133Pa以上时,加大 钨丝的加热电流,使材料融化,继续 加大电流使材料蒸发,在基底上凝 聚成膜。
压阻式传感器
4.兵器上的应用
由于固有频率高，动态响应快，体积小等特点，压阻式压力传感器适合测量 枪炮膛内的压力。测量时，传感器安装在枪炮的身管上或装在药筒底部。另 外，压阻式传感器也用来测试武器发射时产生的冲击波。
此外，在石油工业中，硅压阻式压力传感器用来测量油井压力，以便分析油 层情况。压阻式加速度计作为随钻测向测位系统的敏感元件，用于石油勘探 和开发。在机械工业中，可用来测量冷冻机、空调机、空气压缩机、燃气涡 轮发动机等气流流速，监测机器的工作状态。在邮电系统中，用作地面和地 下密封电缆故障点的检测和确定，比机械式传感器精确和节省费用。在航运 上，测量水的流速，以及测量输水管道，天然气管道内的流速等。
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力 敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导 体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上 用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压 阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线， 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻 系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时 还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装） 薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
压阻式传感器
称为半导体的压阻效应。前面已有结论：
R 2 E (1 2) E
R 半导体材料则有：（1+2μ）<<πE，即：
R E
R
(2.71)
不同类型的半导体，具有不同的压阻系数；载荷施加的 方向不同，压阻效应大小也不相同。为描述不同方向的压 阻效应，需要了解半导体材料的晶向概念。
单晶硅是目前使用最多的。其晶向如图2.17所示。
1.2 扩散型压阻式传感器
将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电 P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。 以此为敏感元件制成的传感器称为扩散型压阻式传感器。
1. 工作原理 半导体材料一般是各向异性材料，压阻系数与晶向有
关。当受到任意方向的应力后，扩散型电阻相对变化为：
R R
l l
P型单晶硅，应力沿[111]晶
z [001]
轴，可得最大压阻效应；
N型单晶硅，应力沿[100]方
[111]
向时，可得最大压阻效应。制作
o
应变片时，沿所需的晶轴从硅锭
[010]
y
上切出一小条，作为应变片的电 x [100]
[100]阻材料（敏感来自）。图 2.17 半导体的晶向
2. 结构和主要特性 半导体应变式结构形式也是由敏感栅、基片、覆盖层和
传感器技术及应用
压阻式传感器是基于半导体材料的压阻效应来工作的传 感器。分半导体应变式压阻传感器和扩散型压阻传感器。
1.1 半导体应变式传感器
利用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片（称半导 体应变片），用此制成的传感器称为半导体应变式传感器。
1. 工作原理
由于应力的作用而使半导体材料电阻率发生变化的现象
相等，即 ： RABC RADC 2(R Rt )
应变式压力传感器和压阻式传感器的转换原理
应变式压力传感器和压阻式传感器的转换原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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第8章压阻式传感器
如图所示。压阻系数随扩散 杂质浓度的增加而减小；表 面杂质浓度相同时，P型硅的 压阻系数值比N型硅的（绝 对）值高，因此选P型硅有利 于提高敏感元件的灵敏度。
-1 或 44/(10-11 m2N-1)
120
27℃
100
44（P 型 Si） 80
60
40
11（N 型 Si）
20
1018
1019
1020
1021
Ns (cm-3)
P型
N型硅
硅
001
001 110
110
r
此图为灵敏度曲线
本章要求掌握的内容 扩散硅压阻式传感器的基本原理 扩散硅压阻式传感器的灵敏度系数是金属丝应
变片传感器的50～100倍
扩散硅压阻式传感器的特点及应用场合
通常引进一组对称轴，称为晶轴，
用X、Y、Z表示。
x
1 00 z 001
y
010
110 100
111
111
010
x
100
110
00 1
100
对于同一单晶，不同晶面上原子的分布不 同。各镜面上的原子密度不同，所表现出的性 质也不相同。单晶硅是各向异性材料，取向不 同，则压阻效应不同。硅压阻传感器的芯片， 就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条。 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。
第8章 压阻式传感器
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)
压阻式压力传感器
这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计， 前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵 敏度比后者大50～100倍 。
实际上，交叉灵敏度反映了在不同应变时，温度灵敏度不是一个常数，而是随着应变的变化而变化，交叉灵 敏度的大小描述了温度灵敏度偏离常数的程度。实验中通过在不同应变下测量温度灵敏度，作出ST-ε曲线，该 曲线的斜率便反映了交叉灵敏度的大小。
以IC Sensors公司的S17-30A型传感器为例，结合A/D转换器AD7731把模拟量转换成数字量—6位16进制原码， 再把16进制的原码送入AT89c52单片机，由单片机送出原码值。实验中以标准压力作为输入，测取不同温度条件 下16进制的原码值，实验数据如表1所示。
压阻式压力传感器
压力式传感器
目录
01 应用
03
压阻式传感器的工作 原理
压阻式传感器的应变
02 与温度交叉灵敏度分 析
04 压阻式传感器的结构
压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电 路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生 变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的 电压输出信号。
此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散 制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
压阻传感器原理
压阻传感器原理
压阻传感器是一种常见的传感器，其原理是基于材料的电阻随着受力变化而变化。
在压力作用下，传感器内部的压阻材料会压缩变形，从而导致电阻值的变化。
这个原理可以用来测量压力、重量、力等物理量。
压阻传感器通常由一个弹性材料制成，如硅胶、橡胶或金属箔。
在传感器的弹性材料上，有一个导电材料的薄膜。
当外力作用于传感器时，导电薄膜会发生微小的变形，导致电阻值发生变化。
这个变化可以通过一个电路来测量并转换成相应的物理量。
由于压阻传感器结构简单、响应速度快、精度高、可靠性好，因此在工业自动化、汽车、航空航天、医疗器械等领域得到广泛应用。
- 1 -。
压阻传感器原理及应用
压阻传感器原理及应用压阻传感器是一种使用压阻效应来测量压力或力的传感器。
它是一种电阻器，由一个有机聚合物或金属薄膜制成，通过加压或载荷作用产生的变形来改变电阻值。
压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。
当外界施加压力或力于传感器上时，传感器的感应层会变形。
变形后，感应层中的导电材料间的电阻值将发生变化。
通常，传感器上有一对电极，当感应层变形时，导电材料之间的距离发生变化，从而改变了电阻值。
通过量化电阻值的变化，可以间接测量、监测压力或力的大小。
压阻传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用领域：1. 工业自动化：压阻传感器可以用于监测和控制各种机械设备中的压力和力，例如水压系统、气压系统、液压系统等。
通过实时监测压力或力的变化，可以确保设备正常运行，以及进行预警和维护。
2. 汽车工程：压阻传感器在汽车工程中的应用非常普遍。
例如，发动机控制系统中使用压阻传感器测量进气道压力，以确定发动机负荷和燃油喷射量。
此外，还可以用于测量刹车系统中的制动压力，以及轮胎的接地压力。
3. 医疗设备：压阻传感器被广泛应用于医疗设备中，用于监测和控制生理参数，如呼吸机、血压计、血糖仪等。
通过测量压力和力的变化，可以帮助医疗专业人员诊断和治疗病症。
4. 空调与暖通：压阻传感器可以用于监测和控制空调系统中的压力和流量。
例如，可以使用它来测量和控制空气处理单元中的空气压力，以及水冷却系统中的水流量。
5. 家用电器：压阻传感器也广泛应用于家用电器中，如洗衣机、洗碗机、冰箱等。
通过测量水源压力和水流量，可以实现智能化控制、水资源的节约和安全使用。
总之，压阻传感器是一种常见的传感器类型，通过压阻效应来测量压力或力。
它在工业自动化、汽车工程、医疗设备、空调与暖通以及家用电器等领域都有广泛的应用。
随着科技的发展和创新，压阻传感器的性能和精度将得到不断改进，使其在更多应用中发挥作用。