压阻式传感器

传 与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。
感
3）目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件 技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它
器 能做成单片式多功能复合敏感元件构成智能传 感器，倍受欢迎。
4
第
13
章 压 阻 式 传 感 器
5
第 压阻效应：
13
章
R l
s
压 阻
R l s
R
l
s
式
1 2
感
Y(2)
器
X(1)
Z(3)
9
第
晶面表示方法
13
章
z
压
截距式：
t
阻 x y z 1 式r s t
ps
y
传
r,s,t－x,y,z轴的截距
r
感 法线式：
x
器 x cos y cos z cos p
法线 长度
cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦
10
第
密勒指数
13
章
x cos y cos z cos 1
器 向生成电阻，组成电桥，并利用硅的力学特性，在
同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集应力敏感
与力电转换于一体的力学量传感器。
2
第
压阻式传感器分类
13
章 ➢粘贴型压阻传感器：半导体应变片
压 ➢ 固态压阻传感器（扩散型压阻传感器）：应变电 阻 阻与硅基片一体化
式
传
感
器
半导体应变片
3
固态压阻传感器
第
应用情况
能带结构变化
器
7
第
压阻式传感器的特点
灵敏度高: 13
硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故
章
相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接
口电路无特殊要求，应用成本相应较低。
压 分辨率高: 小量程对应高分辨率。
百度文库
阻 体积小、重量轻、频率响应高:芯体采用集成工艺， 无传动部件，体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，
代替）
阻
h, k , l •表示晶面
式
传
h, k , l •表示晶面簇
感 ✓对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l) 器 晶面的法线方向；
✓{h,k,l}晶面簇的晶面都与（h,k,l)晶面平行。
12
第
例：
13
章
z
压
1
阻
1
y
z 4
-2
y x
式
1
-2
传 x •晶向、晶面、晶 •晶向、晶面、晶
感
h2 k2 l2
器
C
i
k1
l1 j h1
l1 k h1
k1
k2 l2
h2 l2
h2 k2
16
第 例：求与两晶向都垂直的第三晶向
13
章
压 已知：A 110
B 001
阻
已知：
A
111
B 110
式
传
i
jk
C A B 1 1 0
感
001
器
10 10 11
i
j
k
01 01 00
17 1 1 0
压 2）半导体压阻效应：半导体（单晶硅）晶片受到外
阻 力作用，产生肉眼无法察觉的极微小应变，其原子 结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电
式 阻率产生剧烈的变化，表现在由其材料制成的电阻
传 器阻值发生极大变化。
感
3）固态压阻传感器：利用压阻效应原理，采用集成 电路制作等一些特殊工艺，在单晶硅片上沿特定晶
p
p
p
压
x y z 1
阻
rst
cos : cos : cos 1 : 1 : 1
式
r st
传 取1 :1 :1 h:k :l r st
感
三个没有 公约数的
器
密勒指数
整数
密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公
约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）
11
第
表示方式
13
章
压
h, k , l •表示晶向（逗号可以用空格
感
面族分别为：
面族分别为：
器
1,1,1
2, 2,1
1,1,1
2, 2,1
1,1,1
13
2, 2,1
第 例： （特殊情况）
13
章
压
z
阻
0,0,1
式
传
感 1,0,0
器
x
0,1,0
y
14
第
判断两晶面垂直
13
章
压
•两晶向：A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:
阻
定义： A B h1h2 k1k2 l1l2
第
i
jk
13
章
C A B 1
1
1
压
1 1 0
阻
1 i
1 11 1
j
k
1
式
1 0 1 0 1 1
传 112
感
器
18
第
13
章 压 阻 式 传 感 器
19
§13.3 压阻系数
一、单晶硅的压阻系数
3
式
敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，工作频带宽， 合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从静态至100千赫兹。
传 受温度影响大: 须温度补偿、或恒温使用。
感
由于微电子技术的进步，四个应变
电阻的一致性可做的很高，加之计
器
算机自动补偿技术的进步，目前硅
压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传
第
第13章 压阻式传感器
13
章 主要内容：
压 1）压阻式传感器的工作原理—
阻
半导体压阻效应
式 2）压阻系数、阻值变化的计算
a、压阻系数与任意方向阻值变化的计算
传
b、晶向与密勒指数
感 3）典型压阻式传感器原理分析
器 4）温度漂移及其补偿
1
第
§13.1 概述
13
章
1）压阻效应：当固体材料在某一方向承受应力时， 其电阻率（或电阻值）发生变化的现象。
传
E
感
器 压阻系数 应力 应变E－弹性模量
R E 1 2
R
6
第 对半导体： 401011 ~ 801011m2 / N
13
章
E 1.671011 N / m2
压
K s E 50 ~ 100
阻 压阻效应的原因:
式 应力作用
晶格变形
传
感 载流子浓度和迁移率变化
式
传 垂直： A B h1h2 k1k2 l1l2 0
感
器 不垂直： A B h1h2 k1k2 l1l2 0
15
第 求与两晶向都垂直的晶向
13
章
压
•两晶向：A<h1,k1,l1>与B<h2,k2,l2>:
阻
•晶向C <h3,k3,l3>与A、B都垂直，则:
式
i
jk
传
C A B h1 k1 l1
感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
8
第
§13.2 晶向的表示方法
13
章
基本概念：
压 1)半导体单晶硅是各向异性材料;
阻
2)硅是立方晶体，按晶轴建立座标系; 3)晶面：表示原子或离子的分布形态。原子或离
式 子可看作分布在相互平行的一簇晶面上;
传
4)晶向：单晶硅的受力或者电阻测量取向，为晶 面的法线方向。
13
章
1）开始研制于1960s。以气、液压力为检测对象， 与膜盒式、电感式、电容式、金属应变片式及
压
半导体应变片式传感器比较，技术上有明显优 势，目前仍是压力测量领域主要产品。
阻 2）由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取
式
代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代 中期以后，在传感器市场上占有很大比例，并