半导体敏感元件(力敏)

R1,3
R2
(100)面圆形膜片电阻排布方式1
(100)面圆形膜片电阻排布方式2
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
因此 (a）圆形膜片 在（110）面上
4.2传感器膜片结构
π L = 1 2 π 44
R1
R4
R2 R3
[110] [001] 很小
[110]
π t = 0 = π 12
学
∆R ( )1,3 = 1 π 44σ r > 0 2 R ∆R ( ) 2 , 4 = 1 π 44σ r < 0 2 R
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学
2.5半导体电阻应变片
优点：灵敏系数比金属电阻应变片大数十倍，横向效应和机械滞后极小。 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。
薄膜型半导体应变片
2. 应变片
沈 阳 工 业 应变式加速度传感器 大 学
2.6应变片的使用
应变式荷重传感器
应变式加速度传感器结构示意图 1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片
力学量传感器
广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量
课程主要内容
沈 阳 工 业 大 学 4. 压阻式压力传感器设计 5. 信号处理电路 1. 几个基本概念 2. 应变片 3. 压阻效应
电阻式力学传感器
1. 几个基本概念
沈 阳 工 业 大 学
ε纵 =
应力(T)： 固体单位面积所受的内力(拉力[+]或压力[-] ) 。
3.3 P型硅单轴应力下的压阻效应
电导率变化： ∆σ = ∆pq( µ Ph − µ Pl ) = ∆nq 2 < τ > ( 1 − 1* ) *
m ph m pl
m* > m* ph pl
∆σ < 0
拉伸应力，电阻率增大；
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
3.4 压阻系数
dρ
ρ
= πσ
横向压阻 纵向压阻
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学
体型半导体应变片
2.5半导体电阻应变片
P型硅，〈111〉晶向的压阻系数最大，多采用P型硅。 N型硅，〈100〉晶向的压阻系数最大。 型杂质扩散到N型硅单晶基底上 型导电层， 将P型杂质扩散到 型硅单晶基底上，形成一层极薄的 型导电层， 型杂质扩散到 型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。
π 14 π 24 π 34 π 44 π 54 π 64
π 15 π 25 π 35 π 45 π 55 π 65
π 16 σ 1 π 26 σ 2 π 36 σ 3 π 46 σ 4 π 56 σ 5 π 66 σ 6
a F' F"
x 应变(e)： 由外力使物体尺寸或形状发生相对变化的现象。
o
s
ε = ∆l / l 0
l − l0 b − b0 , ε横 = l0 b0
l0 l b0 b
泊松比： µ =| ε 横 / ε 纵 | 泊松比：
胡克定律
在弹性形变中，当应变较小时，应力与应变成正比。 在弹性形变中，当应变较小时，应力与应变成正比。 对于拉伸和压缩形变 σ 称为杨氏弹性模量。 = Yε ，Y 称为杨氏弹性模量。
电阻应变片的粘贴技术
（1） 贴片处置用细砂纸打磨干净。
业
（2）在应变片基底上挤一小滴502胶水。
大
（3）用电烙铁将应变片引线焊接到引线上。
学
（4）用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。
2. 应变片
沈 阳 工
输出电压为：
2.6应变片的使用
全桥差动电路
测量电路
条件： 条件：R1＝R2＝R3＝R4且∆R1＝∆R2=∆R3＝∆R4
圆形膜片示意图 σ 0.635r0
σr
σtg
应力分布
r
0.812r0
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
R4 R1,3 [110] R2 R4 [110]
4.2传感器膜片结构
(
(a)圆形膜片
∆R )1,3 = 1 π 44 (σ r − σ tg ) 2 R
(
∆R ) 2 , 4 = 1 π 44 (σ tg − σ r ) 2 R
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
V0 =
R1
Vo
4.1压阻全桥原理
B恒压源
R2 VB R3
R 1 ＋△ R 1
R2-△ R2 Vp
受力后
VB
R3＋△ R3
R4
R4-△ R4
恒压源供电
R1 R3 − R2 R4 VB ( R1 + R2 )( R3 + R4 )
恒压源供电
V p = VB ∆R / R
dR = (1 + 2µ + π E )ε R
k0 =
dR R
学
ε
= 1 + 2 µ + πE
k0
1+ 2 µ
材料的几何尺寸变化引起的
金属
πE
材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
半导体
2. 应变片
外力作用
2.3应变片的类型和材料
沈
应变片
阳
被测对象表面产生微小机械变形
工 业
应变片敏感栅随同变形
大 学
R4
4.1压阻全桥原理
A 恒流源
R1＋△ R1 R2-△ R2 Vp
R1
Vo
R2 Io R3
Baidu Nhomakorabea
受力后
Io
R3＋△ R3
R4-△ R4
恒流源供电
学
V0 =
R1 R3 − R2 R4 • I0 R1 + R2 + R3 + R4
V p = ∆R • I 0
优点： 电桥输出与温度无关。？
另外可进行远距离传输而不降低传感器精度。
(110)面方形膜片电阻排布方式
σr
σtg
σ
r
设计要点：合理利用压阻系数和正负应力区 应力分布
电阻值发生相应变化 金属丝式 金 属 金属箔式 材料 金属薄膜式 半导体
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学 金属丝式（直径0.01~0.05mm）
2.4金属应变片
常用的电阻丝有康铜、镍铬合金、 常用的电阻丝有康铜、镍铬合金、铂、铂钨合金等。 铂钨合金等。 应变片阻值尚无统一标准， 应变片阻值尚无统一标准，常用的有60Ω、120Ω、200Ω、 最为常用。 320Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中120Ω最为常用。
剪切压阻
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
硅单晶压阻系数：
π 11 π 12 π 12 0 π 12 π 11 π 12 0 π 12 π 12 π 11 0 0 0 π 44 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 π 44
学
敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。
α 2 + K 2 (β g − β 2 ) ∆R2t / R2 R1 =− =− R2 ∆R1t / R1 α 1 + K1 ( β g − β1 )
R1
R2
2. 应变片
沈 阳 工 温度误差及其补偿 电桥补偿法、 电桥补偿法、热敏电阻
2.6应变片的使用
刘恩科：半导体物理学（第4版）324页
σ = nqµ n + pqµ p
dσ dn dµ n = qµ n + qn dP dP dP
业 大 学
受力作用后(N型为例)：
材料受力方式： A 液体静压强 B 单轴应力
参考：牛德芳：力学量敏感器件及其应用
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
应力作用下，Si等能面变化示意图
2. 应变片
沈 阳 工 业
实现温度补偿的条件: 实现温度补偿的条件
2.6应变片的使用
温度误差及其补偿
∆Rt = ∆Rtα + ∆Rtβ = R0α∆t + R0 K 0 ( β g − β s )∆t
a. 选择式自补偿应变片
εt =
α ∆t
K0
+ (β g − β s )∆t = 0
大
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
2 2 2 π t = π 12 + (π 11 − π 12 − π 44 )( L1 L2 + m12 m2 + n12 n2 ) 2
2 1 z
式中，L2 , m2 , n2 为y与1、2、3方向余弦；
学
∆R = π Lσ L + π t σ t R
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
3.4 压阻系数
π t ≈ − 1 2 π 44
2a
∆R 1 = π (σ − σ t ) 2 44 L R
[110]
[110]
学
3p [(1 + µ ) r02 − (3 + µ ) r 2 ] 8h 2 3p σ t = − 2 [(1 + µ )r02 − (1 + 3µ )r 2 ] 8h
σ r= −

掺杂浓度为参变量P-Si的π44-T关系 P型硅室温下（001） 面纵向、横向压阻系数 （10-7cm-2/N） 影响压阻系数因数：
A、压阻系数为负温度系数； B、掺杂浓度越高，温度系数越小； C、与晶向和搀杂类型有关； D、掺杂浓度高，压阻系数小。
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
恒流源供电
[100] [001] [010]
3.2 N型硅单轴应力下的压阻效应
T
应力作用下电子在能谷中转移示意图
1 1 − *) * m L mt
电导率变化： ∆σ = ∆nq( µ L − µ t ) = ∆nq 2 < τ > (
* m L > mt*
∆σ < 0
压缩应力，电阻率增大；
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大 学
优点：多个传感器可以共用一个电源。
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大 学
4.2传感器膜片结构
∆R = π Lσ L + π t σ t R
膜片形状：圆形、方形或矩形
4. 压阻式压力传感器设计
沈 阳 工 业 大
压力P作用时，应力分布： (a)圆形膜片
4.2传感器膜片结构
π L ≈ 1 2 π 44
业 大 学 优点： 优点：
R3－⊿R3 U U0
∆R1 U0 = U R1
没有非线性误差；电压灵敏度是使 用单只应变片的4倍，能温度补偿。
2. 应变片
沈 阳 工 业 大 学 应变片主要性能指标举例
2.6应变片的使用
3.压阻效应
沈 阳 工
电导率为：
3.1半导体压阻效应
对半导体施加应力时，除产生形变外，能带结构也要相应发生变化，因而 材料的电阻率（或电导率）就要改变。这种由于应力的作用使电阻率发生改变 的现象称作压阻效应。
3.4 压阻系数
δ 1 π 11 δ π 2 21 δ 3 π 31 = δ 4 π 41 δ 5 π 51 δ 6 π 61
π 12 π 22 π 32 π 42 π 52 π 62
π 13 π 23 π 33 π 43 π 53 π 63
π 44
0
3.压阻效应
沈 阳 工 业 大
单晶硅同时受纵向、横向压阻系数时，
2 2 π L = π 11 − 2(π 11 − π 12 − π 44 )( L1 m12 + m12 n12 + n12 L1 )
3.4 压阻系数
3 σt y I
σL
x
式中，L1 , m1 , n1 为x与1、2、3方向余弦；
引引 覆上覆 基石
l
压电电电电电电
b
2. 应变片
金属箔式应变片 沈
2.4金属应变片
在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相
阳
制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
工 业 大 学 金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄绝缘基片上形成厚度在 1µm以下 的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。
1. 几个基本概念
S F
切应力与切应变
沈 阳
剪切形变： 剪切形变：
F"
b a F' 工
F"'
B B' ψ A
C C' D
c
在力偶作用下, 两平行截面发生相对移动的形变。 在力偶作用下 两平行截面发生相对移动的形变。
业
与垂直距离AB之比 与垂直距离 切应变：平行截面相对滑动距离 切应变：平行截面相对滑动距离BB'与垂直距离 之比
大 学
tgψ =
BB ' AB
称为切变角。 称为切变角 ≈ ψ ,ψ称为切变角。
切应力： 若截面 受力均匀， 切应力： 若截面S受力均匀，则切应力 受力均匀
τ = F/S
切应力互等定律： 切应力互等定律： 作用于两个互相垂直截面,且垂直于两截面交线的切应力相等，τ=τ' 作用于两个互相垂直截面 且垂直于两截面交线的切应力相等， 且垂直于两截面交线的切应力相等
2. 应变片
沈
L
2.1应变效应
阳 工 业 大 学 电阻应变示意图
L+dL F
2r 2(r+dr) F
F
dl、dA 、dρ
dR
2. 应变片
沈 阳 工 业 大
电阻灵敏度系数：
2.2电阻灵敏度
dR dl dA dρ = − + ρ R l A
dl / l = ε , dr / r = − µ ε , dρ / ρ = π σ = π E ε