微传感器技术课件34压阻.pptx
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1、MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,Chinal应变式应变式(包括应变片式包括应变片式和压阻式和压阻式)传感器传感器l电容式传感器电容式传感器l电感式
2、传感器电感式传感器l压电式传感器压电式传感器力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,
3、150001,China二、二、压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的,是一种新的物性型传感器。优点:灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。(一)(一)压阻效应压阻效应单单晶晶硅硅材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后,其其电电阻阻率率发发生生明明显显变化,这种现象被称为压阻效应。变化,这种现象被称为压阻效应。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Ha
4、rbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China由于E一般都比(1+2)大几十倍甚至上百倍,因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应,所以上式可近似写成式中压阻系数;E弹性模量;应力;应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。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
5、的法线方向。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaC ZOBAXY Y11晶体晶面的截距表示(二)(二)晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方
6、法结晶体是具有多面体形态的固体,由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱,晶棱的交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置,通常引进一组对称轴线,称为晶轴,用X、Y、Z表示。硅为立方晶体结构,就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面,如图所示。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin
7、,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz,它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成式中,p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。为了方便取其倒数得式中,h、k、l也为没有公约数(1除外)的简单整数。依据上述关系式,可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面,能用三个简单
8、整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China而晶向是晶面的法线方向,根据有关的规定,晶面晶面符号为(h
9、kl),晶面全集晶面全集符号为hkl,晶向符号为hkl,晶晶向向全集全集符号为hkl。晶面所截的线段对于X轴,O点之前为正,O点之后为负;对于Y轴,O点右边为正,O点左边为负;对于Z轴,在O点之上为正,O点之下为负。依据上述规定的晶体符号的表示方法,可用来分析立方晶体中的晶面、晶向。在立方晶体中,所有的原子可看成是分布在与上下晶面相平行的一簇晶面上,也可看作是分布在与两侧晶面相平行的一簇晶面上,要区分这不同的晶面,需采用密勒指数来对晶面进行标记。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时,密勒指数就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶向全集分别表示为(111)、111、111、111。MEMS
10、Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China若晶面与任一晶轴平行,则晶面符号中相对于此轴的指数等于零,因此与X轴相交而平行于其余两轴的晶面用(100)表示,其
11、晶向为100;与Y轴相交面平行于其余两轴的晶面为(010),其晶向为010;与Z轴相交而平行于X、Y轴的晶面为(001),晶向为001。同理,与X、Y轴相交而平行于Z轴的晶面为(110),其晶向为110;其余类推。硅立方晶体内几种不同晶向及符号如图。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内集中不同晶向与晶面(b)(a)MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin
12、,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China对于同一单晶,不同晶面上原子的分布不同。如硅单晶中,(111)晶面上的原子密度最大,(100)晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同,所表现出的性质也不同,如(111)晶面的化学腐蚀速率为各向同性,(100)晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。单晶硅是各向异性的材料,取向不同,则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片,就是选择压
13、阻效应最大的晶向来布置电阻条的。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。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,C
14、hina(三)压阻系数1、压阻系数的定义半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化,而电阻率的相对变化与应力成正比,二者的比例系数就是压阻系数。即单晶硅的压阻系数矩阵为MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute
15、of Technology Harbin,150001,China2007(100)晶面上的压阻系数曲线MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China
16、20071.单晶硅压阻系数:当单晶硅受到一定的应力时,单晶硅压阻系数:当单晶硅受到一定的应力时,单晶硅压阻系数:当单晶硅受到一定的应力时,单晶硅压阻系数:当单晶硅受到一定的应力时,其电阻率随应力变化具有线性关系。其电阻率随应力变化具有线性关系。其电阻率随应力变化具有线性关系。其电阻率随应力变化具有线性关系。2.压阻效应的各向异性:半导体压力传感器一般压阻效应的各向异性:半导体压力传感器一般压阻效应的各向异性:半导体压力传感器一般压阻效应的各向异性:半导体压力传感器一般常选用(常选用(常选用(常选用(001001)、()、()、()、(011011)、()、()、()、(211211)三个晶)三
17、个晶)三个晶)三个晶面,因为在这三个晶面上都具有某一个或几个面,因为在这三个晶面上都具有某一个或几个面,因为在这三个晶面上都具有某一个或几个面,因为在这三个晶面上都具有某一个或几个晶向上压阻系数较大的特点。晶向上压阻系数较大的特点。晶向上压阻系数较大的特点。晶向上压阻系数较大的特点。特点:MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of
18、 Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbi
19、n Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China多向应力作用在
20、单晶硅上,由于压阻效应,硅晶体的的电阻率变化,引起电阻的变化,其相对变化dR/R与应力的关系如下式。在正交坐标系中,坐标轴与晶轴一致时,有式中l纵向应力;t横向应力;s与l、t垂直方向上的应力;l、t、s分别为l、t、s相对应的压阻系数,l表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向一致时的压阻系数,t表示应力作用方向与通过压阻元件电流方向垂直时的压阻系数。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,Chin
21、aMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China当坐标轴与晶轴方向有偏离时,再考虑到ss,一般扩散深度为数微米,垂直应力较小可以忽略。因此电阻的相对变化量可由下式计算(5.1-56)式中l、t值可由纵向压阻系数11、横向压阻系数12、剪切压阻系数44的代数式计算,即(5.1-57)(5.1-58)式中l1、m1、n1压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦;l2、m2、n2横向应力相对于立方晶轴
22、的方向余弦;11、12、44单晶硅独立的三个压阻系数,它们由实测获得数据,在室温下,其数值见表5.1-3。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,Chin
23、a表表5.1-311、12、55的数值(的数值(10-11m2/N)晶体导电类型电阻率111244SiP7.8+6.6-1.1+138.1SiN11.7-102.2-53.5-13.6从上表中可以看出,对于P型硅,44远大于11和12,因而计算时只取44;对于N型硅,44较小,11最大,1211/2,因而计算时只取11和12。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,
24、Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2、影响压阻系数的因素影响压阻系数因素:扩散电阻的表面杂质浓度和温度。扩散杂质浓度NS增加时,压阻系数就会减小。压阻系数与扩散电阻表面杂质浓度NS的关系如图。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS/cm-3P型Si(44)N型Si(-11)11或44/10-11m2/NT=24压阻系数与表面杂质浓度NS的关系MEMS Center
25、,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China表面杂质浓度低时,温度增加,压阻系数下降得快;表面杂质浓度高时,温度增加,压阻系数下降得慢,如图。为了降低温度影响,扩散电阻表
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- 传感器 技术 课件 34 压阻
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