微電子傳感器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1微電子傳感器微電子傳感器一、電阻應(yīng)變式力學(xué)傳感器 金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象。SLRdSSRdLLRdRdRdSSLdLSdSL2SdSLdLdRdR第2頁/共52頁mKRR)(lln表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)，電阻相對(duì)變化的大小。llKRRm第3頁/共52頁n 2 應(yīng)變片測試原理電阻應(yīng)變應(yīng)力外力敏感柵第4頁/共52頁第5頁/共52頁第6頁/共52頁dSKRR優(yōu)點(diǎn)：尺寸、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后都很小，靈敏系數(shù)極大。缺點(diǎn)：電阻值和靈敏系數(shù)的溫度穩(wěn)定性差；測量較大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重；靈敏系數(shù)隨受拉或壓而變。為外力作用下材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為壓阻系數(shù)

2、：單位應(yīng)力下半導(dǎo)體電阻率相對(duì)變化量的大小E第7頁/共52頁mSKK)8050(第8頁/共52頁?, 2,120,1000RRKR002. 010100026KRR第9頁/共52頁0,IRL4321ZZZZ32, 41ZZZZ43, 21ZZZZ第10頁/共52頁0,0IRL第11頁/共52頁DCBCUUU0URRRRRRRR)(43214231221RRRUUBC343RRRUUDC4231RRRR初始時(shí)，通常要將電橋的B、D兩點(diǎn)的電位調(diào)整為相等的平衡狀態(tài)，使得Uo =0第12頁/共52頁URRRRRRRRRRRRRRRRUo)()()(4433221144223311 處于應(yīng)力測試狀態(tài)時(shí)，電

3、橋中某些電阻的阻值將發(fā)生微小的變化， B、D兩點(diǎn)的電位會(huì)失去平衡，形成一定的電位差 假定應(yīng)力同時(shí)作用于四個(gè)臂時(shí)，第13頁/共52頁4321RRRR初始狀態(tài)下)(211)(44433221144332211RRRRRRRRRRRRRRRRUUoURRRRRRRRRRRRRRRRUo)()()(4433221144223311)(21144332211RRRRRRRR)(444332211RRRRRRRRUUoiiRR 第14頁/共52頁)(44321KU)(444332211RRRRRRRRUUo第15頁/共52頁為實(shí)際輸出如果以)(211)(44433221144332211RRRRRRRRR

4、RRRRRRRUUo)(21144332211RRRRRRRRiiRR )(444332211RRRRRRRRUUo)(2)(21432144332211KRRRRRRRRUUUeooo則電橋的非線性誤差為第16頁/共52頁)(0RRUSV)(2144332211RRRRRRRRe)(24321K)(4443322110RRRRRRRRUU)(44321KU第17頁/共52頁111044KURRUU1112121KRRe4)/(110URRUSV)(2144332211RRRRRRRRe)(24321K)(4443322110RRRRRRRRUU)(44321KU0432例 金屬應(yīng)變計(jì)K=2.

5、5,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)120,假定允許測試的最大應(yīng)變=5000，計(jì)算兩種應(yīng)變計(jì)的非線性誤差。%6 . 0005. 05 . 221211Ke金屬%30005. 012021211Ke半導(dǎo)體半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的非線性誤差較大，必須進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?8頁/共52頁KUKUU2)(42100)(2121Ke20UKUSV2143, 0稱為差動(dòng)電橋補(bǔ)償法n靈敏度比單臂電橋提高2倍)(2144332211RRRRRRRRe)(24321K)(4443322110RRRRRRRRUU)(44321KU第19頁/共52頁UKKUU)(4432100)(214321KeUKUSV04231,)(2144332211RRRRRR

6、RRe)(24321K)(4443322110RRRRRRRRUU)(44321KUn靈敏度比單臂電橋提高4倍第20頁/共52頁除了外界壓力外，是否還存在使金屬絲發(fā)生形變的其他因素？第21頁/共52頁溫度漂移：粘貼在試件上的應(yīng)變片，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由于熱脹冷縮， 其阻值也會(huì)發(fā)生相對(duì)變化，在有些情況下這個(gè)數(shù)值甚至要大于應(yīng)變引起的信號(hào)變化。這種由于溫度變化引起的信號(hào)輸出稱為溫度漂移第22頁/共52頁第23頁/共52頁這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵由電阻溫度系數(shù)一正一負(fù)的兩種合金絲串接而成應(yīng)變片自補(bǔ)償?shù)?4頁/共52頁21RR、43RR 、第25頁/共52頁TRRRRRR)()(111111TRRRR)(

7、2222TTRRRR)()(2211)(4)(41122110RRURRRRUUR1 R2置于同一溫度下，但R2對(duì)應(yīng)力不敏感)(2144332211RRRRRRRRe)(24321K)(4443322110RRRRRRRRUU)(44321KU第26頁/共52頁TRRRRRRRR)()(3311TRRRRRRRR)()(4422)(4443322110RRRRRRRRUUUKRRU)(44第27頁/共52頁橋路補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：方法簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好。缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難作到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況。第28頁/共52頁二、硅壓阻集成壓力傳感器第29頁/共5

8、2頁 壓阻效應(yīng)的微觀機(jī)理較復(fù)雜，涉及半導(dǎo)體的能帶理論半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)xzyF第30頁/共52頁R1R2R3半導(dǎo)體的導(dǎo)電性可以調(diào)節(jié)（通過摻雜）這一特點(diǎn)是其能夠制造集成電路的最根本原因半導(dǎo)體為什么會(huì)有壓阻效應(yīng)？第31頁/共52頁+4+4+4+4+3價(jià)電子共價(jià)鍵空穴硅共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖空穴是可以運(yùn)動(dòng)的第32頁/共52頁 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度比金屬絲式的要高5080倍，而且有尺寸小，滯后和蠕變小等一些列優(yōu)點(diǎn)。另外，無論是金屬還是半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，用它們構(gòu)成的傳感器都必須采用粘貼工藝因素由此帶來多種因素影響傳感器的性能，進(jìn)入80年代民由于半導(dǎo)體集成電路工藝的日益完善，出現(xiàn)了利用體工藝中的擴(kuò)散技術(shù)，將敏感元件和

9、應(yīng)變材料合二為一，制成了擴(kuò)型壓阻式傳感器。這類傳感器的應(yīng)變電阻與基底是同一塊材料，通常是半導(dǎo)體硅。因而統(tǒng)稱為擴(kuò)散壓阻式傳感器。由于取消了膠粘，它的滯后、蠕變及老化現(xiàn)象大為減小。（1）取消膠粘集成壓力傳感器優(yōu)點(diǎn)第33頁/共52頁 由于傳感器運(yùn)用半導(dǎo)體硅做芯片，利用集成電路工藝制成，如果在制備傳感器芯片的同時(shí)設(shè)計(jì)制造一些溫度補(bǔ)償、信號(hào)處理與放大等電路，就能構(gòu)成集成傳感器。 （3）溫度補(bǔ)償 在溫度變化梯度較大的條件下，一般的電阻應(yīng)變計(jì)很難作到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況。溫度漂移的補(bǔ)償是壓力傳感器的重要課題之一。完美的溫度補(bǔ)償要求補(bǔ)償電路與橋處于相同的溫度環(huán)境，只有實(shí)現(xiàn)了單片集成才能做到這一

10、點(diǎn)。（2）高精度電橋 微電子技術(shù)的精細(xì)工藝可以在同一晶片上形成一致性非常好的四個(gè)等值電阻，從而保證電橋輸出的高精度第34頁/共52頁n 在分立狀態(tài)下，從傳感器輸出的信號(hào)需經(jīng)過傳輸線送到信號(hào)處理電路，而傳輸線往王會(huì)引入干擾信號(hào)，。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都比較弱傳輸線的干擾信號(hào)有時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果把信號(hào)處理電路、阻抗變換電路與壓力傳感器集成在一起，壓力傳感器的輸出信號(hào)直接在同一芯片上進(jìn)行放大與阻抗變換然后再經(jīng)過傳輸線送到后續(xù)電路進(jìn)一步處理，就會(huì)大大削弱傳輸線信號(hào)的干擾。（4）減小傳輸干擾n此外，如果能把數(shù)模轉(zhuǎn)換電路集成在一起，對(duì)于輸出數(shù)字信號(hào)是十分有益的（5）數(shù)字化第35頁/

11、共52頁 如果進(jìn)步與微處理器相結(jié)合，還有可能做成智能傳感器。（6）智能化償 因此集成傳感器器一出，就受到人們極大的重視而得到迅猛的發(fā)展。目前，硅壓阻式傳感器已在力學(xué)量傳感器中占有重要地位。第36頁/共52頁第37頁/共52頁F 壓阻傳感器核心部分是做成杯狀的硅膜片通常叫做硅杯。在硅膜片上用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散摻雜法做四個(gè)相等的電阻，經(jīng)蒸鍍鋁電極連接成惠斯登電橋，再用壓焊法與外引線相連。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差而發(fā)生形變硅膜片各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力，從而使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化電橋失去平衡輸出相應(yīng)的電壓，此電壓大小就反映了膜片所受的壓力值。硅壓阻傳感器原理R1R3R2R4第38頁/共52頁 圓形硅膜上的應(yīng)力分布

12、tlr 根據(jù)彈性力學(xué)分析，均勻分布的壓力F在硅片內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力是不均勻的，且有正應(yīng)力區(qū)與負(fù)應(yīng)力區(qū)之分，。利用這一特性，選擇適當(dāng)?shù)奈恢貌贾秒娮?，使其接入電橋的四臂中，兩兩電阻在受力時(shí)一增一減，且阻值增加的兩個(gè)電阻和阻值減小的兩個(gè)電阻分別對(duì)接，形成全等臂差動(dòng)橋路，既能提高輸出靈敏度，又部分地消除阻值隨溫度而變化的漂移。正應(yīng)力區(qū)負(fù)應(yīng)力區(qū)負(fù)應(yīng)力區(qū)第39頁/共52頁R1R2R4R3硅膜上壓阻全橋的設(shè)計(jì)正應(yīng)力區(qū)負(fù)應(yīng)力區(qū)第40頁/共52頁R1R3正應(yīng)力區(qū)負(fù)應(yīng)力區(qū)R2R4負(fù)應(yīng)力區(qū)第41頁/共52頁第42頁/共52頁第43頁/共52頁UoUR1 R2 R4 R3 惠斯通電橋原理恒壓電源第44頁/共52頁)(214

13、4332211RRRRRRRRe)(4443322110RRRRRRRRUU 通過合理的設(shè)計(jì)，可使得當(dāng)硅膜片受到應(yīng)力作用時(shí)，R1 、R3 與R2 、R4有相反的等量變化。例如R1 、R3 有相同的正增量，R2 、R4 有相同的負(fù)增量，即 R1= R3 =-R2 =-R4 =R 于是在壓力作用下，電橋失去平衡，產(chǎn)生的電壓輸出為URR0第45頁/共52頁 惠斯通電橋全臂工作時(shí)，可避免溫度變化使電阻發(fā)生改變造成的輸出電壓漂移，但是卻無法避免溫度變化使硅片的壓阻系數(shù)發(fā)生改變造成的輸出漂移。UUURRUo第46頁/共52頁UURRUo壓阻系數(shù)44與溫度的關(guān)系第47頁/共52頁如何對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償？UURRUo第48頁/共52頁 溫度漂移是硅壓阻式壓力傳感器的主要問題之一，可以通過溫度補(bǔ)償來解決，因此，在實(shí)現(xiàn)集成化時(shí)，首先考慮到把溫度補(bǔ)償電路與壓阻全橋集成在一起。在集成壓力傳感器中的溫度補(bǔ)償電路具有集成電路的特色通常是一個(gè)有源電路。上圖表示帶有溫度補(bǔ)償電路的單塊集成壓力傳感器的電路圖其中心阻R5、R6和晶體管T構(gòu)成了溫度補(bǔ)償電路，并與壓阻全橋制作在同一芯片上第49頁/共52頁帶溫度補(bǔ)償?shù)募蓧毫鞲衅鱑oUcR1 R2 R4 R3 R6 R5 TUE 溫度補(bǔ)償原理 當(dāng)晶體管T的基極電流比流過R5和R6的電流小得多時(shí)，晶體管集電極到發(fā)射極的電