§2-2固態(tài)壓阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器中的橋式結(jié)構(gòu)BasicSacrificialLayerProcessing●Step1:Depositionofsacrificiallayer●Step2:Patterningofthesacrificiallayer●Step3:Depositstructurallayer(conformaldeposition)●Step4:Liquidphaseremovalofsacrificiallayer●Step5:Removalofliquid-drying

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展、人們將集成電路工藝用于制造半導(dǎo)體集成傳感器，從而出現(xiàn)了固態(tài)壓阻式傳感器。固態(tài)壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體的電阻率隨應(yīng)力變化的性質(zhì)所制成的半導(dǎo)體器件，它是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝擴(kuò)散電阻，并將擴(kuò)散電阻直接作為敏感元件。半導(dǎo)體基片受到外界振動(dòng)、壓力等作用將產(chǎn)生變形，其內(nèi)部應(yīng)力隨之發(fā)生變化，而擴(kuò)散電阻的阻值亦隨著發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)電阻值變化的大小，就可確定振動(dòng)、壓力等大小。利用壓阻式變換原理制成的傳感器稱為壓阻式傳感器（piezoresistivesensor）一，半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)１、利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式應(yīng)變片（如圖）固體力電阻率變化半導(dǎo)體效應(yīng)顯著２、在半導(dǎo)體材料的基底上，用集成電路工藝制成擴(kuò)散型壓敏電阻。任何材料的電阻變化率都可以寫(xiě)為

半導(dǎo)體材料的電阻取決于有限數(shù)目的載流子、空穴和電子的遷移，其電阻率可表示為金屬材料半導(dǎo)體材料平均遷移率載流子濃度

電子電荷量

應(yīng)力作用于半導(dǎo)體，單位體積內(nèi)的載流子數(shù)目即載流子濃度，平均遷移率都要發(fā)生變化，從而使電阻率發(fā)生變化，此即為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的本質(zhì)。由實(shí)驗(yàn)知，半導(dǎo)體電阻率相對(duì)變化可表示為壓阻系數(shù)表示單位應(yīng)力引起的電阻率的相對(duì)變化應(yīng)力對(duì)于單向受力的晶體有，由此電阻率的相對(duì)變化可寫(xiě)為電阻的相對(duì)變化為

半導(dǎo)體材料的彈性模量的范圍為，壓阻系數(shù)范圍是，所以在之間。因此半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏度遠(yuǎn)大于金屬的應(yīng)變靈敏度。并且其主要是由于電阻率的相對(duì)變化所引起，幾何參數(shù)變形值占非常小的分量?；谝陨戏治鲇刑攸c(diǎn)：壓阻系數(shù)高；分辨率高；易于實(shí)現(xiàn)集成化、智能化；溫度系數(shù)大；存在較大的溫度誤差。二、壓阻系數(shù)對(duì)于應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，有相應(yīng)地對(duì)于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，有縱向靈敏度系數(shù)橫向靈敏度系數(shù)縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)１，壓阻系數(shù)矩陣三個(gè)正應(yīng)力三個(gè)獨(dú)立的切應(yīng)力討論一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單元微立方體，它沿單晶硅晶粒的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶軸1,2,3的軸向取出。如圖六個(gè)獨(dú)立應(yīng)力六個(gè)獨(dú)立電阻率相對(duì)變化應(yīng)力與電阻相對(duì)變化率之間有關(guān)系壓阻系數(shù)矩陣特點(diǎn)：切應(yīng)力不引起正向壓阻效應(yīng)；正應(yīng)力不引起剪切壓阻效應(yīng)；切應(yīng)力只在自己的剪切平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，無(wú)交叉影響；具有一定的對(duì)稱性。即因此有?正向壓阻效應(yīng)相同剪切壓阻效應(yīng)相同橫向壓阻效應(yīng)相同只有三個(gè)獨(dú)立的壓阻系數(shù)，定義為單晶硅的剪切壓阻系數(shù)。單晶硅的橫向壓阻系數(shù)；單晶硅的縱向壓阻系數(shù)；N型硅的可以忽略，，較大，且有●在常溫下，Ｐ型硅的，可以忽略常用的壓阻系數(shù)表２，任意晶向的壓阻系數(shù)1,2,3為單晶硅立方晶格的主軸方向，電阻條R的縱向?yàn)镻，其橫向?yàn)镼方向。定義，分別為電阻條的縱向、橫向壓阻系數(shù)，有以下關(guān)系存在●單晶硅任意方向壓阻系數(shù)計(jì)算如下圖所示縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)其橫向在主軸坐標(biāo)系統(tǒng)中的方向余旋其縱向在主軸坐標(biāo)系統(tǒng)中的方向余旋利用上式，可以計(jì)算任意方向的電阻條的壓阻系數(shù)的方向余弦為３，計(jì)算實(shí)例的方向余弦為

A、計(jì)算面上晶向的縱向、橫向壓阻系數(shù)。xyzADECHGFBPQ所以有的方向余弦為的方向余弦為xyzADECHGFB12（001）3xyzADECHGFBB、計(jì)算面上晶向的縱向、橫向壓阻系數(shù)。的方向余弦為的方向余弦為DCEABHGFxyz其縱向、橫向壓阻系數(shù)分別為對(duì)于Ｐ型硅對(duì)于N型硅差動(dòng)電橋

C、繪出P型硅面內(nèi)的縱向和橫向壓阻系數(shù)的分布圖

如圖所示，在面內(nèi)，方向P，Q的方向余弦分別為和有P型硅面內(nèi)，。差動(dòng)電橋P型硅(001)(011)(211)４，影響壓阻系數(shù)大小的因素壓阻系數(shù)與擴(kuò)散雜質(zhì)表面濃度的關(guān)系如圖所示。壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度的關(guān)系影響壓阻系數(shù)大小的因數(shù)有擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度和溫度有如下關(guān)系存在

●擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度增加時(shí)，說(shuō)明載流子的濃度也要增加，由上式可知，電阻率必然要降低；但另一方面由于擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度增加，載流子濃度比較大，半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用后，電阻率的變化更小，因此電阻率的變化率是降低的。這說(shuō)明了當(dāng)擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度增加時(shí)，壓阻系數(shù)是降低的。平均遷移率載流子濃度

電子電荷量壓阻系數(shù)和溫度的關(guān)系如圖所示。

●溫度變化時(shí)，壓阻系數(shù)的變化也比較明顯。溫度升高，載流子的雜散運(yùn)動(dòng)增大，使單向遷移率減小，因而電阻率變大，從而使電阻率的變化率減少，故壓阻系數(shù)隨溫度的升高而減少。壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系

擴(kuò)散雜質(zhì)表面濃度較小時(shí)，遷移率減小得較多，使電阻率增加得也較多，因而使壓阻系數(shù)隨溫度的增加下降的較快。而濃度較高時(shí)，遷移率減小得較少，電阻率增加得也較少，壓阻系數(shù)隨溫度的增加下降得較慢。三，擴(kuò)散電阻的阻值與幾何參數(shù)的確定如圖，設(shè)傳感器后接負(fù)載電阻為，則負(fù)載上的電壓為只有當(dāng)時(shí)，與橋臂有關(guān)的電阻才有擴(kuò)散電阻有如圖所示的類型擴(kuò)散電阻長(zhǎng)度擴(kuò)散電阻寬度方塊數(shù)□RS薄層電阻，方塊電阻彎曲電阻的計(jì)算公式為端頭校正因子彎角數(shù)彎頭校正因子（近似取0.5）細(xì)型電阻值按下式計(jì)算由擴(kuò)散雜質(zhì)表面濃度和結(jié)深決定細(xì)型寬型·單位寬度電阻條最大工作電流設(shè)電阻單位面積的的容許功耗為電阻單位寬度容許通過(guò)的電流為由此可知，電阻上容許通過(guò)的電流I除與容許功耗有關(guān)外，還與薄層電阻有關(guān)電阻上流過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生熱量，電阻的發(fā)熱會(huì)使阻值發(fā)生變化直至燒壞電阻。如果單位面積容許功耗單位寬度容許的電流如下：算出后，即驗(yàn)算外加電壓或電流是否容許薄層電阻單位寬度容許的電流四，典型的壓阻式傳感器１，壓阻式壓力傳感器

下圖為一常用的壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。敏感元件圓形平膜片采用單晶硅，基于單晶硅材料的壓阻效應(yīng)，利用微電子加工中的擴(kuò)散工藝在硅膜片上制造壓敏電阻。高壓腔P硅膜片低壓腔引線2、圓平膜片上壓敏電阻位置設(shè)計(jì)

對(duì)于周邊固定的平膜片，其上表面的半徑ｒ處，徑向應(yīng)力切向應(yīng)力與所承受的壓力間ｐ的關(guān)系為單晶硅電阻的壓阻效應(yīng)，有由上述關(guān)系，可得到如下結(jié)果設(shè)計(jì)膜片壓力傳感器基礎(chǔ)前面已分析，P型硅面內(nèi)，當(dāng)壓敏電阻的縱向與的夾角為時(shí)，該電阻的縱向和橫向壓阻系數(shù)為如果壓敏電阻的縱向取圓膜片的徑向，即如果壓敏電阻的縱向取圓膜片的切向，即對(duì)比上面兩式可知，在單晶硅的面內(nèi)，如果將Ｐ型壓敏電阻分別設(shè)置在圓平膜片的徑向和切向，則它們的變化是互為相反的，即徑向電阻條隨壓力單調(diào)地減小，切向電阻條的電阻隨壓力單調(diào)地增加，且增加量與減小量相等。這一規(guī)律為設(shè)計(jì)壓敏電阻條提供了非常好的條件

壓敏電阻應(yīng)該設(shè)置在壓阻效應(yīng)最顯著位置的徑向與切向.此時(shí)在圓膜片的徑向和切向,Ｐ型電阻條的壓阻效應(yīng)可表述為

另一方面，上述壓阻效應(yīng)也是電阻條的縱向與方向夾角的函數(shù)。

下圖給出了電阻的相對(duì)變化規(guī)律。按此規(guī)律即可將電阻條設(shè)置于圓膜片的邊緣處。這樣，沿徑向和切向各設(shè)置兩個(gè)P型壓敏電阻條。R1R4R2R3R1R3R2R43、電橋輸出電路據(jù)以前的分析有當(dāng)沒(méi)有溫度影響或不考慮溫度影響時(shí)，恒壓源供電電路如圖所示輸出與成正比，與所加電壓成正比

同時(shí)，當(dāng)時(shí)，電橋輸出與溫度有關(guān)，且為非線性關(guān)系，所以采用恒壓源供電不能消除溫度誤差。采用恒流源供電如圖所示電橋的兩個(gè)支路的電阻相等即有由此可得輸出電壓為4、壓阻式加速度傳感器mxaLR1(R4)OR2(R3)l硅梁懸梁臂上表面根部沿ｘ方向的正應(yīng)力為上式中的縱向壓阻系數(shù)為于是，沿懸梁臂長(zhǎng)度方向（）設(shè)置的P型硅壓敏電阻的壓阻效應(yīng)可以描述為只有正應(yīng)力擴(kuò)散電阻硅梁質(zhì)量塊基座而沿懸梁臂寬度方向（）設(shè)置的P型硅壓敏電阻的壓阻效應(yīng)可以描述為其橫向壓阻系數(shù)為整理上述關(guān)系式，可得由此可見(jiàn)，按上述原則在懸梁根部設(shè)置的壓敏電阻符合構(gòu)成全橋差動(dòng)電橋的原則，其輸出電路與前面所述電路完全相同。加速度傳感器的一種結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊mL應(yīng)變片彈簧片外殼基座擴(kuò)散型半導(dǎo)體薄膜固態(tài)壓阻式傳感器和金屬應(yīng)變片式傳感器都可以用來(lái)測(cè)量應(yīng)力的大小。問(wèn)兩者測(cè)量應(yīng)力時(shí)的方法和原理有何異同？

五，壓阻式傳感器溫度漂移的補(bǔ)償溫度變化零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。薄層電阻大，溫度系數(shù)大擴(kuò)散電阻阻值隨溫度變化而變化，擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)隨薄層電阻不同而不同。硼擴(kuò)散電阻的阻值如圖所示。

●壓阻式傳感器零點(diǎn)漂移一般可以采用串并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償。下圖示出了一種補(bǔ)償方案。產(chǎn)生原因：四個(gè)擴(kuò)散電阻阻值不一致或溫度系不相同解決方法：用串、并聯(lián)電阻補(bǔ)償調(diào)零補(bǔ)償溫度升高R2增加較大，D點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位。零點(diǎn)漂移在R2上并聯(lián)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻橋臂電阻在低溫時(shí)的阻值橋臂電阻在高溫時(shí)的阻值低溫高溫期望值已知有關(guān)RS、RP的計(jì)算方法ACBDR1R2R3R4RPRS

根據(jù)低溫與高溫下輸出兩點(diǎn)電位相等的條件可得由此可以算出所需串并聯(lián)電阻的大小。溫度系數(shù)ACBDR1R2R3R4RPRS再由

●傳感器的靈敏度溫漂一般采用改變電源電壓的大小來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。產(chǎn)生原因：四個(gè)擴(kuò)散電阻的壓阻系數(shù)隨溫度變化。溫度升高壓阻系數(shù)變??；溫度降低壓阻系數(shù)變大解決方法：在電源回路中串聯(lián)二極管或其他能改變電源電壓的方法下圖即為進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐酚谜郎囟认禂?shù)熱敏電阻改變運(yùn)算放大器的輸出電壓，從而改變電橋電壓的大小，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。利用三極管基極與發(fā)射極間的PN結(jié)敏感溫度，使三極管的輸出電流變化，改變管壓降的大小，從而改變電橋電壓。因?yàn)槎O管PN結(jié)溫度特性為負(fù)，溫度每升高1℃，正向壓降降低（1.9-2.4）mv.溫度升高，電橋電壓增加，計(jì)算出所需二極管個(gè)數(shù)即可。低溫時(shí)輸出高溫時(shí)輸出二極管PN結(jié)正向壓降的溫度系數(shù)溫度變化范圍二極管的個(gè)數(shù)靈敏度溫度漂移零點(diǎn)溫度漂移在傳統(tǒng)的工業(yè)用壓阻式壓力傳感器中，硅膜片用機(jī)械研磨方法在硅片背面加工而成（即形成所硅杯）．這種方法加工的硅膜片尺寸較大，電阻的尺寸可取得較大，電阻位置的偏差影響也比較?。牵诩苫臀⑿突膲毫鞲衅髦?，硅膜的尺寸大大縮小，電阻值和位置偏差引起的靈敏度偏差有可能成為影響橋路性能的重要因素。因此，在較小的硅膜上保證較高的電阻精度和降低位置靈敏性，就成為微小型化壓力傳感器壓阻全橋設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。六、硅膜片上的壓阻全橋設(shè)計(jì)固態(tài)壓阻式壓力傳感器常用的膜片結(jié)構(gòu)有圓形、方形和矩形三種。硅膜片的結(jié)構(gòu)不同，在壓力作用下，硅膜上的應(yīng)力分布也不同，因此，壓阻全橋在硅膜片上的設(shè)計(jì)也不同．在壓力敏感器件的設(shè)計(jì)中，晶體的取向有（100）和（110）晶面等。近來(lái)，方形和矩形膜比較流行，特別是在集成壓力傳感器中。方形和矩形硅膜片，是用各向異性腐蝕的方法制作的．為適應(yīng)各向異性腐蝕工藝的要求，硅膜通常選在（100）晶面上。在（100）晶面硅膜上，當(dāng)電阻取向在和晶向時(shí)，電阻的壓阻系數(shù)最大。表示式變?yōu)檫@時(shí)即在壓力作用下，硅膜上電阻的相對(duì)變化正于與應(yīng)力差。對(duì)于圓形膜片,根據(jù)彈性力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，壓力P在半徑為R的圓形硅膜上引起徑向和切向應(yīng)力：在膜中心處，和具有正最大值。由此可見(jiàn)，硅膜上存在著正負(fù)兩個(gè)應(yīng)力區(qū)，從而產(chǎn)生了在圓形硅膜上壓阻全橋的兩種基本設(shè)計(jì)方法。隨著r增大，和逐漸下降，在r＝0.609a和0.875a處為零,在膜邊緣處，和為負(fù)值．在邊緣其絕對(duì)值達(dá)到最大，1.壓敏電阻位于同一應(yīng)力區(qū)壓敏電阻設(shè)置在硅膜的同一應(yīng)力區(qū)。方案一，在(001)晶面上,兩個(gè)電阻位于<110>向，另兩個(gè)電阻位于晶向；如圖所示。壓敏電阻R2、R4沿<110>晶向布置，在這兩個(gè)電阻上的縱向應(yīng)力，橫向應(yīng)力。縱向壓阻系數(shù),橫向壓阻系數(shù)所以R2、R4的相對(duì)變化量為

壓敏電阻R1、R3、沿方向布置，其橫向?yàn)椋?10＞晶向。電阻上的縱向應(yīng)力，橫向應(yīng)力縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)分別表示為受力后電阻R1、R3的相對(duì)變化量為得到徑向和切向布置的力敏電阻的相對(duì)變化

從圖中看出，r越大,與越大。所以單從提高靈敏度的角度考慮．最好將四個(gè)電阻制作在膜片有效面積的邊緣上。另一種設(shè)計(jì)方案，將四個(gè)電阻布置在（001）晶面的圓形膜片邊緣附近，如圖所示。這四個(gè)電阻互相平行，R1、R3為徑向電阻，R2、R4為切向電阻。硅膜片受力后，壓敏電阻值的相對(duì)變化量有正負(fù)之分，同樣可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)提高壓阻全橋靈敏度的目的。2.壓敏電阻分別位于正負(fù)應(yīng)力區(qū)當(dāng)選取晶面的P型硅作彈性膜片時(shí)，在沿<110>方向的直徑上制作四個(gè)相等的擴(kuò)散電阻，如圖所示。這種電阻，只有縱向壓阻效應(yīng),即面這同樣可達(dá)到