微电子传感器.pptx

用途：测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。应用领域：航空、机械、电力、化工、建筑、医学等。电阻应变测试技术的优点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；（2）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；（4）可以测量多种物理量。第1页/共52页一、电阻应变式力学传感器 金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象。金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应第2页/共52页金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应 金属材料的电阻相对变化与轴向线应变成正比金属材料的电阻相对变化与轴向线应变成正比K Kmm金属丝材的金属丝材的应变灵敏系数应变灵敏系数轴向线应变轴向线应变n表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。第3页/共52页1 应变片的结构n 2 应变片测试原理电阻应变应力外力敏感栅第4页/共52页3 应变片电阻值（R。）原始阻值趋于标准化，60，120，350，600，1000各种阻值；其中120为最常使用。第5页/共52页第6页/共52页4 4 半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应 半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比半导体材料的半导体材料的应变灵敏系数应变灵敏系数优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大。缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变。为外力作用下材料内部产生的应力，称为压阻系数：单位应力下半导体电阻率相对变化量的大小第7页/共52页半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应灵敏度高灵敏度高半导体应变计半导体应变计体型体型扩散型：感压硅膜扩散型：感压硅膜第8页/共52页5 测量电路例例 第9页/共52页一、一、惠斯登电桥惠斯登电桥双臂应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：直流电桥：R R交流电桥交流电桥:R:R、L L、C C不平衡桥式：偏差测量法（动态）不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）平衡桥式：零位测量法（静态）半等臂电桥半等臂电桥全等臂电桥全等臂电桥工作方式工作方式桥臂关系桥臂关系电源电源负载负载工作臂工作臂电压输出桥：电压输出桥：功率输出桥：功率输出桥：U U、I I电源端对称电源端对称输出端对称输出端对称第10页/共52页1 1 惠斯登电桥及输出特性惠斯登电桥及输出特性电压输出桥的输出特性电压输出桥的输出特性第11页/共52页ABCABC：ADCADC：电桥平衡条件：电桥平衡条件：初始时，通常要将电桥的B、D两点的电位调整为相等的平衡状态，使得Uo=0第12页/共52页 处于应力测试状态时，电桥中某些电阻的阻值将发生微小的变化，B、D两点的电位会失去平衡，形成一定的电位差 假定应力同时作用于四个臂时，第13页/共52页只讨论：只讨论：全等臂电桥全等臂电桥忽略高阶项忽略高阶项第14页/共52页电桥的输出与四个桥臂的线应变成线性比例关系电桥的输出与四个桥臂的线应变成线性比例关系第15页/共52页则电桥的非线性误差为第16页/共52页电桥的灵敏度电桥的灵敏度第17页/共52页一个桥臂一个桥臂R R1 1工作，工作，例 金属应变计K=2.5,半导体应变计120,假定允许测试的最大应变=5000，计算两种应变计的非线性误差。半导体应变计的非线性误差较大，必须进行补偿第18页/共52页两个两个相邻相邻桥臂工作，桥臂工作，称为差动电桥补偿法n灵敏度比单臂电桥提高2倍第19页/共52页3 3全臂全臂工作，工作，全臂全臂工作时，如果能使工作时，如果能使“相邻臂应变相反，相对臂应变相同相邻臂应变相反，相对臂应变相同”，将会电桥输出最大，将会电桥输出最大，而非线性误差最小而非线性误差最小n灵敏度比单臂电桥提高4倍第20页/共52页除了外界压力外，是否还存在使金属丝发生形变的其他因素？第21页/共52页 6 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿温度漂移：粘贴在试件上的应变片，当环境温度发生变化时，由于热胀冷缩，其阻值也会发生相对变化，在有些情况下这个数值甚至要大于应变引起的信号变化。这种由于温度变化引起的信号输出称为温度漂移第22页/共52页温度补偿方法应变片自补偿桥路补偿第23页/共52页（1 1）双丝自补偿）双丝自补偿这种应变计的敏感栅由电阻温度系数一正一负的两种合金丝串接而成应变片自补偿第24页/共52页（2 2）桥路补偿法）桥路补偿法相同的应变片相同的应变片平衡电阻平衡电阻第25页/共52页例：例：分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理解：解：R1 R2置于同一温度下，但R2对应力不敏感第26页/共52页例例 分析分析全桥测量的温度补偿。全桥测量的温度补偿。解：解：全桥测量本身全桥测量本身就具有温度补就具有温度补偿功能偿功能第27页/共52页桥路补偿法优点：方法简单、方便，在常温下补偿效果较好。缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难作到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。第28页/共52页二、硅压阻集成压力传感器第29页/共52页 压阻效应的微观机理较复杂，涉及半导体的能带理论半导体的压阻效应xzyF第30页/共52页R1R2R3半导体的导电性可以调节（通过掺杂）这一特点是其能够制造集成电路的最根本原因半导体为什么会有压阻效应？第31页/共52页+4+4+4+4+3价电子共价键空穴硅共价键结构示意图空穴是可以运动的第32页/共52页 半导体应变计的灵敏度比金属丝式的要高5080倍，而且有尺寸小，滞后和蠕变小等一些列优点。另外，无论是金属还是半导体应变计，用它们构成的传感器都必须采用粘贴工艺因素由此带来多种因素影响传感器的性能，进入80年代民由于半导体集成电路工艺的日益完善，出现了利用体工艺中的扩散技术，将敏感元件和应变材料合二为一，制成了扩型压阻式传感器。这类传感器的应变电阻与基底是同一块材料，通常是半导体硅。因而统称为扩散压阻式传感器。由于取消了胶粘，它的滞后、蠕变及老化现象大为减小。（1）取消胶粘集成压力传感器优点第33页/共52页 由于传感器运用半导体硅做芯片，利用集成电路工艺制成，如果在制备传感器芯片的同时设计制造一些温度补偿、信号处理与放大等电路，就能构成集成传感器。（3）温度补偿 在温度变化梯度较大的条件下，一般的电阻应变计很难作到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。温度漂移的补偿是压力传感器的重要课题之一。完美的温度补偿要求补偿电路与桥处于相同的温度环境，只有实现了单片集成才能做到这一点。（2）高精度电桥 微电子技术的精细工艺可以在同一晶片上形成一致性非常好的四个等值电阻，从而保证电桥输出的高精度第34页/共52页n 在分立状态下，从传感器输出的信号需经过传输线送到信号处理电路，而传输线往王会引入干扰信号，。由于传感器的输出信号一般都比较弱传输线的干扰信号有时会对系统的信号质量产生严重影响。如果把信号处理电路、阻抗变换电路与压力传感器集成在一起，压力传感器的输出信号直接在同一芯片上进行放大与阻抗变换然后再经过传输线送到后续电路进一步处理，就会大大削弱传输线信号的干扰。（4）减小传输干扰n此外，如果能把数模转换电路集成在一起，对于输出数字信号是十分有益的（5）数字化第35页/共52页 如果进步与微处理器相结合，还有可能做成智能传感器。（6）智能化偿 因此集成传感器器一出，就受到人们极大的重视而得到迅猛的发展。目前，硅压阻式传感器已在力学量传感器中占有重要地位。第36页/共52页电桥电桥全等臂全等臂工作时，如果能使工作时，如果能使 “相邻臂应变相反，相对臂应变相同相邻臂应变相反，相对臂应变相同”，将会使得电桥输出最大，而非线性误差最小将会使得电桥输出最大，而非线性误差最小第37页/共52页F 压阻传感器核心部分是做成杯状的硅膜片通常叫做硅杯。在硅膜片上用半导体工艺中的扩散掺杂法做四个相等的电阻，经蒸镀铝电极连接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。当膜片两边存在压力差而发生形变硅膜片各点产生应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化电桥失去平衡输出相应的电压，此电压大小就反映了膜片所受的压力值。硅压阻传感器原理R1R3R2R4第38页/共52页 圆形硅膜上的应力分布tlr 根据弹性力学分析，均匀分布的压力F在硅片内产生的应力是不均匀的，且有正应力区与负应力区之分，。利用这一特性，选择适当的位置布置电阻，使其接入电桥的四臂中，两两电阻在受力时一增一减，且阻值增加的两个电阻和阻值减小的两个电阻分别对接，形成全等臂差动桥路，既能提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的漂移。正应力区负应力区负应力区第39页/共52页R1R2R4R3硅膜上压阻全桥的设计正应力区负应力区第40页/共52页R1R3正应力区负应力区R2R4负应力区第41页/共52页第42页/共52页第43页/共52页UoUR1 R2 R4 R3 惠斯通电桥原理恒压电源第44页/共52页 通过合理的设计，可使得当硅膜片受到应力作用时，R1、R3 与R2、R4有相反的等量变化。例如R1、R3 有相同的正增量，R2、R4 有相同的负增量，即 R1=R3=-R2=-R4=R 于是在压力作用下，电桥失去平衡，产生的电压输出为第45页/共52页 惠斯通电桥全臂工作时，可避免温度变化使电阻发生改变造成的输出电压漂移，但是却无法避免温度变化使硅片的压阻系数发生改变造成的输出漂移。第46页/共52页压阻系数44与温度的关系第47页/共52页如何对这种效应进行补偿？第48页/共52页 温度漂移是硅压阻式压力传感器的主要问题之一，可以通过温度补偿来解决，因此，在实现集成化时，首先考虑到把温度补偿电路与压阻全桥集成在一起。在集成压力传感器中的温度补偿电路具有集成电路的特色通常是一个有源电路。上图表示带有温度补偿电路的单块集成压力传感器的电路图其中心阻R5、R6和晶体管T构成了温度补偿电路，并与压阻全桥制作在同一芯片上第49页/共52页带温度补偿的集成压力传感器UoUcR1 R2 R4 R3 R6 R5 TUE 温度补偿原理 当晶体管T的基极电流比流过R5和R6的电流小得多时，晶体管集电极到发射极的电压降为第50页/共52页 电阻R5和R6是利用同样工艺，在同一芯片上形成的，具有相同的温度系数，所以R5R6不随温度变化。当温度升高时，晶体管T的发射结压降减小，因而引起UCE的下降，这就提高了桥路的供电电压使得电桥输出电压变大，从而补尝了电桥压力灵敏度随温度升高而下降的缺点第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页