[工學]第五章壓力傳感器(編輯修改稿)
2025-02-15 08:37 本頁面
【文章內容簡介】 硅杯引線 硅杯、 高壓腔 低壓腔 硅膜片 硅片周邊固定，在壓力 P作用下，膜片產生應力和應變。由于產生應力， P型電阻產生壓阻效應，其電阻發(fā)生相對變化。27 對于圓形硅杯膜片，當壓力作用其上時，在硅膜片背面產生的表面徑向應力 和表面切向應力 與所加的壓力 P 、膜片厚度 、膜片有效半徑 、泊松系數(shù) 、計算點的半徑 的關系式為 根據上兩式可作出圓形硅杯膜片上的應力分布圖，如圖 9所示。由圖可見，硅膜片圓心和邊緣部位是應力最大的部位。圖 9 平膜片的應力分布圖28當 時， ； 時， ，即為拉應力；僅有 的壓應力；當 時， ；當 時時， ，即為壓應力。當 時， 。為了保證膜片在工作時的線性，應使硅膜片處于小撓度變形范圍內。一般講，當硅膜片的應變量小于 （微應變），即相當應力小于 時，可滿足上述要求。 在設計硅壓阻芯片時，應把擴散應變電阻條配置在應力最大的位置，以獲得最大的靈敏度?！ τ谥苓吂讨У姆叫位蚓匦喂璞て先我恻c的應力難于用解析式給出，一般用有限差分法進行數(shù)值解。 壓阻式壓力傳感器硅芯片設計中的一些問題 硅壓阻芯片是壓阻式傳感器的核心部分，其設計因用途而異。以下僅就有關設計中的一般原則進行討論。29半導體壓阻效應器件按力敏電阻制作工藝方法的不同，可分為體型與擴散型兩大類。它們雖各有特點，但又有許多共同之處。所以本節(jié)將要介紹的有關擴散型壓力傳感器硅芯片設計中的一些問題，對于設計體型半導體力敏感元件也是適用的。 一、硅杯結構與材料的選擇 已知硅壓阻芯片采用的硅杯結構有兩種，周邊固支的圓形硅杯和周邊固支的方型或矩形硅杯。采用周邊固支硅杯結構，可使硅膜片與固支環(huán)構成一體，既可提高傳感器的靈敏度、線性、減小滯后效應。又便于批量生產。圓形硅杯結構多用于小型傳感器，方型或矩形硅杯結構多用于尺寸較大、輸出較大的傳感器，圓形硅杯是最常采用的一種硅杯形式，制作工藝比較成熟，其應力的計算與分布均已給出。所以本節(jié)將以圓形硅芯片的設計為例進行討論。 硅杯材料的選擇是極為重要的，通常選用 N型硅晶片作為硅杯膜片，在其上擴散 p型雜質，形成電阻條。這是因為， p型電阻條的壓阻系數(shù)較 N型為大，靈敏度高，而溫度系數(shù)比 N型的小，也易于制造。 n型硅膜片晶向的選取，除應考慮獲得高壓力靈敏度外， 30式中， 為硅的彈性極限，由上式可知，在給定壓力 P下可求出還要考慮各向異性腐蝕形成硅杯制造工藝的要求，一般選取 〈 100〉 或 〈 110〉 晶向的硅膜片?！ ?n型硅膜片的電阻率，通常選取 8~15 cm。 這樣可使 p型擴散電阻條所產生的 pn結的隔離作用有足夠的耐壓性。對于 p型電阻條雜質的控制也較靈活。如果傳感器的激勵電源電壓較低，也可用電阻率更小的硅膜片。 二、硅杯尺寸的確定 、膜片厚度的確定 對于圓形硅杯膜片的幾何尺寸，一般指的是它的有效半徑 a和厚度 h而言的。當硅杯膜片受一定壓力作用時，要保證硅膜片的應力與外加壓力有良好的線性關系，其條件為硅膜片的有效半徑與膜片厚度的比應滿足以下關系：31a/h的比值；選定有效半徑 a后，則可求得硅膜片的厚度 h?！ 。?.固有頻率 硅杯壓阻壓力傳感器在動態(tài)條件下使用時，應具有一定的固有頻率，在確定硅膜片的有效半徑和厚度時，要同時滿足固有頻率的要求。周邊固支圓形硅膜片的固有頻率 為：式中 E— 彈性模量 ρ— 硅材料的密度 當有效半徑 a一定時，可由上兩式得出滿足線性與固有頻率要求的硅膜片厚度。硅的彈性模量和鋼材料幾乎相等。但硅的密度為鋼的 1/3到 1/4，故硅膜片的固有頻率比鋼膜片高 2倍?！ ∪?、擴散電阻條的阻值、尺寸、取向與位置的確定 硅壓阻芯片是在 N型硅杯膜片上擴散四個 P型電阻，一般接成惠斯頓電橋而構成的。電阻條的阻值、幾何尺寸、位置與取向32的配置都對傳感器的靈敏度有很大的影響，需要計算確定?！ 。?.擴散電阻條的阻值的確定 硅杯膜片上的四個電阻按下圖（ a）連成惠斯頓電橋。為了獲得較大的輸出，要考慮與負載電阻的匹配，如果傳感器后面接的負載電阻為 如下圖（ b）所示，則負載上獲得的電壓為只有在 時有所以傳感器的輸出電阻（等于電橋橋臂的電阻值），應該小些。設計時一般取電橋橋臂的阻值（也就是每個擴散電阻的阻值）為 500~3000歐姆。圖 10 傳感器與負載的連接（ a) 四個擴散電阻條所構成的惠斯頓電橋 （ b) 傳感器與負載的等效電路33 ?。?.擴散電阻條的取向與位置的確定 由前所述可知，圓形硅杯膜片上擴散電阻的電阻變化率可由下式給出： — 縱向壓阻系數(shù)； — 橫向壓阻系數(shù)； — 徑向應力； — 切向應力； 由上式可知，欲獲得大的電阻變化率，提高傳感器的靈敏度，擴散電阻條應選擇在壓阻效應較大的晶向和應變大的部位上 。擴散電阻一般連接成惠斯頓電橋是為了提高力敏電橋電路靈敏度的目的。在電阻條選取定位時，還要滿足硅膜片受力后其上的一對電阻的阻值變化率 為正值，而另一對的阻值則應為負值。下面不難看出，在滿足上述要求的情況下，壓阻效應的選用可以是 ： ① 只利用縱向壓阻效應； ② 既利用縱向壓阻效應又利用橫向壓阻效應。在定位上。電阻條可位于同一應力區(qū)，也可分別位于正負應力區(qū)。下面將分別舉例予以說明。（１）利用縱、橫壓阻效應位于同一應力區(qū)的力敏電阻34 圖中表明徑向力敏電阻 沿 〈 110〉 晶向布置，縱向為 〈110〉 ，則其縱向壓阻系數(shù)為圖 11 晶面是（ 001）的硅膜片傳感器元件 往往選取 n型硅作為襯底材料，選?。?001）晶面作為硅膜片。此時 〈 110〉 和 晶向上的壓阻系數(shù)最大，對稱性也好，所以一般利用擴硼的方法擴散出兩個 p型電阻沿 晶向布置，另兩個 p型電阻沿 〈 110〉 布置，此種設計如右圖所示。 在（ 001）晶面上， 〈 110〉 晶向的橫向為 ，其橫向壓阻系數(shù)為 由計算可知 ,〈 110〉 、 晶向在晶軸坐標系中的方向余弦為35 當硅膜片受力后，力敏電阻 阻值相對變化率（即徑向電阻變化率 ?。獮閷?〈 110〉 方向的縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)代入上式，得 將上述方向余弦值分別代入縱、橫向壓阻系數(shù)表達式中，再取近似，即可得 方向上的縱向壓阻系數(shù)與橫向壓阻系數(shù)：36 當切向力敏電阻 沿晶向 布置時，其縱向壓阻系數(shù)為其橫向壓阻系數(shù)為用上面同
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