第八章電子功能與元器件壓力傳感器

第八章壓力傳感器8-1壓阻式壓力傳感器的工作原理主要內(nèi)容8-1-1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)8-1-2壓阻式壓力傳感器的工作原理8-1-1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)液體靜壓強(qiáng):是把壓力通過液體的傳遞，造成材料各處均勻受壓，使晶格間距減小，但并不破壞晶體的對(duì)稱性，只能使能帶極值發(fā)生移動(dòng)，使禁帶寬度在不同方向上發(fā)生變化。單軸應(yīng)力（沿某一方向進(jìn)行縱向拉伸或壓縮，產(chǎn)生形變的力稱為單軸應(yīng)力）：除縱向伸長或縮短外，還存在由切變應(yīng)力引起的橫向變小或變大。這種切應(yīng)變使晶體的對(duì)稱性隨之發(fā)生變化，有的晶向上晶格間距減小，有的晶向上晶格間距增大，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)在不同晶向方向上產(chǎn)生不同的變化，引起不同晶向電阻變化值不同。8-1-1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)：在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：對(duì)半導(dǎo)體施加應(yīng)力作用除產(chǎn)生形變外，同時(shí)也改變了載流子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致材料宏觀電阻率的變化。這種由外力作用引起半導(dǎo)體電阻率變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。8-1-1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)以硅為例分析在單軸應(yīng)力作用下半導(dǎo)體能帶的變化1）[100]方向能谷升高，載流子數(shù)減少。2）[010][001]方向能谷降低，填充載流子數(shù)增多。3）藍(lán)線-受力后，粉線-受力前，藍(lán)線在內(nèi)表能量升高，藍(lán)線在外表示能量降低。4）[100]方向電導(dǎo)減小，[001][010]方向電導(dǎo)增加。應(yīng)力作用下電子在能谷中的轉(zhuǎn)移這是材料在受到壓縮應(yīng)力時(shí)的能級(jí)示意圖，與上頁的情況相反當(dāng)受到伸張應(yīng)力時(shí)情況如何？電阻系數(shù)與晶體方向的關(guān)系（1）沿【100】方向通電流，再沿【100】方向施加應(yīng)力T，電阻率的相對(duì)變化（2）沿【010】方向通電流，再沿【100】方向施加應(yīng)力T，電阻率的相對(duì)變化（3）沿【110】方向通電流，再沿【110】方向施加應(yīng)力T，電阻率的相對(duì)變化8-1-2壓阻式壓力傳感器的工作原理無外力時(shí)：（8-3）有壓力時(shí)：（8-4）令（8-5）尺寸能帶8-1-2壓阻式壓力傳感器的工作原理有（8-6）ε-縱向應(yīng)變、ν-泊松比、E-楊式模量、π-壓阻系數(shù)令G=1+2ν+πEG為膜片的靈敏度系數(shù)。（1）對(duì)半導(dǎo)體材料，應(yīng)變引起電阻形狀改變從而電阻值變化，能帶結(jié)構(gòu)受應(yīng)力作用影響較??；（2）半導(dǎo)體電阻材料的電阻變化包括形狀與能帶結(jié)構(gòu)的雙重影響，靈敏系數(shù)比金屬絲高50-70倍。（8-7）8-1-2壓阻式壓力傳感器的工作原理在恒壓源供電時(shí)，電橋電路的零輸出為：式中R1、R2、R3、R4為擴(kuò)散形成的橋臂電阻：VB為電源電壓：V0為零輸出電壓。零壓時(shí)V0越小越好，若使R1R3=R2R4或R1=R2=R3=R4=R0,則電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，則V0=0.當(dāng)外力作用于硅彈性膜片時(shí)，使電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。若R1=R2=R3=R4=R0,則電橋輸出電壓為：8-1-2壓阻式壓力傳感器的工作原理在恒流源供電時(shí)，電橋電路的零輸出為：式中R1、R2、R3、R4為擴(kuò)散形成的橋臂電阻：IB為電源電壓：V0為零輸出電壓。零壓時(shí)V0越小越好，若使R1R3=R2R4或R1=R2=R3=R4=R0,則電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，則V0=0.當(dāng)外力作用于硅彈性膜片時(shí)，使電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。若R1=R2=R3=R4=R0,則電橋輸出電壓為：知識(shí)點(diǎn)1.繪圖說明在Si的[001]方向施加壓力時(shí)，對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu)

及電導(dǎo)將產(chǎn)生的影響。2.推導(dǎo)恒流源（恒流源）供電的電橋輸出電壓（Vp）的表達(dá)式。8-2壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與制備第八章壓力傳感器主要內(nèi)容8-2-1壓阻式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)8-2-2硅壓力膜片的應(yīng)力分布8-2-3壓力傳感器的制作8-2-1壓阻式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)8-2-2硅壓力膜片的應(yīng)力分布8-2-2硅壓力膜片的應(yīng)力分布8-2-3壓力傳感器的制作8-2-3壓力傳感器的制作1.襯底材料的選擇（1）熱穩(wěn)定性好（2）壓阻系數(shù)大8-2-3壓力傳感器的制作2.晶面和晶向的選擇:便于擴(kuò)散及腐蝕幾個(gè)晶面的比較：（111）（110）（100）原子面密度:（111）>（110）>（100）雜質(zhì)擴(kuò)散速度（111）<（110）<（100）腐蝕速度（111）<（110）<（100）SiO2-Si界面電荷（111）<（110）<（100）3.表面摻雜濃度與溫度特性（8-15）8-2-3壓力傳感器的制作（8-15）摻雜濃度大，穩(wěn)定性好，摻雜濃度小，靈敏度高8-2-3壓力傳感器的制作知識(shí)點(diǎn)1.壓阻式壓力傳感器典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)傳感器時(shí)要重點(diǎn)考慮的問題。8-3壓電式壓力傳感器的工作原理第八章壓力傳感器8-3-1壓電效應(yīng)

當(dāng)對(duì)某些晶體在某些特定方向上加力時(shí)，在施力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

當(dāng)晶體受到機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，電荷密度大小與所加應(yīng)力大小成線性關(guān)系，這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電效應(yīng)的過程稱為正壓電效應(yīng)。

當(dāng)某些晶體在外電場(chǎng)激勵(lì)下，會(huì)使晶體在某些方向上產(chǎn)生形變（或諧振）現(xiàn)象，且二者之間亦存在線性關(guān)系，這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械效應(yīng)的過程稱為逆壓電效應(yīng)。8-3-1壓電效應(yīng)壓電元件在受到力作用時(shí)，產(chǎn)生的表面電荷間與作用力的關(guān)系可表示為

q=dijσq為產(chǎn)生表面電荷的密度，σ為單位面積上的作用力，dij為壓電常數(shù)8-3-1壓電效應(yīng)常見晶體的壓電系數(shù)逆壓電效應(yīng)S=dtE,產(chǎn)生變形，應(yīng)變S，外加電場(chǎng)強(qiáng)度E1-5-1介電、壓電、鐵電陶瓷就正壓電效應(yīng)來說，晶體受力后在某些特定表面上產(chǎn)生束縛電荷，但直接作用是力使晶體變形，改變了原來的相對(duì)位置，產(chǎn)生束縛電荷表明出現(xiàn)了凈電偶極距。在32種宏觀對(duì)稱類型中，不具有對(duì)稱中心的有21種，其中有一種（點(diǎn)群43）壓電常數(shù)為零，其余20種都具有壓電效應(yīng)。1-5-1介電、壓電、鐵電陶瓷圖1石英晶體結(jié)晶軸向示意圖X軸為二度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，又稱為電軸或極化軸，沿X軸方向的壓電效應(yīng)最顯著，Y軸又稱機(jī)械軸，沿Y軸方向具有橫向壓電效應(yīng)。Z軸是三度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，又稱光軸，在這個(gè)方向上沒有壓電效應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，以X軸方向作為壓電晶片的厚度方向切割石英，簡稱X切石英。同理，還有Y切石英。圖2石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖（左旋石英）在正常情況下，石英的硅離子和氧離子配備在六棱柱的晶格上，硅離子按螺旋線排列，螺旋線的螺旋方向表明是右旋石英還是左旋石英，上圖示出的是左旋石英，硅離子2的位置比硅離子1要深入，而硅離子3的位置比硅離子2要深入（這里指從書本紙面向內(nèi)以左旋方式進(jìn)入）。石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是目前使用最多的壓電材料壓電晶體石英晶體的壓電常數(shù)矩陣

圖-6壓電元件變形方式（a）厚度變形(TE);(b)長度變形(LE)；(c)體積變形(VE)；(d)面剪切變形(FS)；(e)厚度剪切變形(TS)壓電晶體壓電晶體2壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì),如圖4（a）所示。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性,如圖4（b）所示。壓電陶瓷圖6-4壓電陶瓷的極化(a)未極化;(b)電極化

極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。對(duì)Z軸方向極化的鈦酸鋇陶瓷，其壓電常數(shù)矩陣：壓電陶瓷對(duì)Z軸方向極化的鈦酸鋇陶瓷，其壓電常數(shù)矩陣

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。

最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。

壓電陶瓷

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，居里點(diǎn)在300℃以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。

鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛 、鋯酸鉛（PbZrO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。42早在居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電性后的三分之一世紀(jì)中，壓電效應(yīng)在應(yīng)用上幾乎沒有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過用它來測(cè)量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰(zhàn)，盟軍軍艦受到德國潛艇的攻擊大量受損，于是設(shè)法尋找有效偵測(cè)潛艇的方法。因?yàn)殡姶挪o法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進(jìn)，因此，當(dāng)時(shí)的藍(lán)杰文（P.Langevin）發(fā)展出利用石英壓晶體管作為聲波產(chǎn)生器?？上У鹊接辛撕媒Y(jié)果，大戰(zhàn)已接近尾聲而來不及用上了。石英兩面各貼一鋼片，使其振蕩頻率降到50KHz，外加一電脈波訊號(hào)，則經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成聲波傳至海底；過一段時(shí)間后，換能器接收到由海底反射之回波，由來回時(shí)間及波在海中行進(jìn)的速度，可決定換能器到海底的距離。這個(gè)原理同樣可測(cè)潛艇的位置。壓電陶瓷的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生將壓電探頭放在人體的檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。壓電陶瓷在工業(yè)上，地質(zhì)探測(cè)儀里有壓電元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏。還有壓電陶瓷電視機(jī)里的變壓器，它體積變小、重量減輕，效率可達(dá)60%-80%，能耐住3萬伏的高壓，使電壓保持穩(wěn)定，完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的電視機(jī)大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管，使用75毫米長的壓電變壓器就行了。這樣就使電視機(jī)體積變小、重量減輕了。壓電陶瓷變壓器:壓電陶瓷壓電也廣泛用于日常生活中。用了兩個(gè)直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代了普通的火石制成的氣體電子打火機(jī)，可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成的是點(diǎn)燃煤氣爐極好的用具。原理：由外力壓縮一個(gè)彈簧，壓到頂點(diǎn)后釋放，彈簧力推動(dòng)一個(gè)重錘打擊壓電陶瓷柱產(chǎn)生一數(shù)千伏的高壓火花，點(diǎn)燃可燃?xì)怏w。電子點(diǎn)火槍知識(shí)點(diǎn)1.壓電晶體和壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)的基本原理。8-4壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)第八章壓力傳感器主要內(nèi)容8-4-1壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)8-4-2壓電式壓力傳感器的特性指標(biāo)8-4-3壓電式壓力傳感器設(shè)計(jì)上主要考慮8-4-1壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)8-4-1壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1.活塞式壓力傳感器8-4-1壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1.膜片式壓力傳感器8-4-1壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)8-4-2壓電式壓力傳感器的特性指標(biāo)1.量程2.靈敏度（8-26）（8-27）（8-28）（8-29）輸出電荷：輸出電壓：縱向效應(yīng)：橫向效應(yīng)：8-4-2壓電式壓力傳感器的特性指標(biāo)3.絕緣電阻8-4-2壓電式壓力傳