【正文】 ?????? ??11:24 AM 103 方案二 ： 只利用縱向壓阻效應 在 [110]晶向的 N型硅膜片上，沿 [110]晶向在 P型電阻條，[110]的橫向為 [001]。 [110] [001] R1 R2 R3 R4 11:24 AM 104 02121111 ??? nml 44// 21 ?? ???100 222 ??? nml0?? ??rRR?????? 44////21????????? ????[110]方向方向余弦： [001]方向方向余弦： 11:24 AM 105 由于在 σ r為正值 ， 在 外 σ r負值 ， 內(nèi) 、 外電阻值的變化率應為 4412 riiRR ????? ?????4412 rooRR ????? ??????ri?ro?iRR???????oRR ?????? ?ri?ro??ioRRRR??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?即可組成差動電橋 。 式中 、 —— 內(nèi)、外電阻所受徑向應力的平均值 ——內(nèi)外電阻的相對變化。 設(shè)計時，適當安排電阻的位置，可以使得 : = 于是有 11:24 AM 106 恒壓源供電 擴散電阻起始阻值都為 R，當有應力作用時，兩個電阻阻值增加，兩個減小；溫度變化引起的阻值變化為△ Rt： R1+ △ R1 R2 △ R2 Uout R3 △ R3 R4+ △ R4 五、測量橋路及溫度補償 11:24 AM 107 電橋輸出為： ? ? ? ?? ? ? ?()()itoutttitttU R R RUR R R R R RU R R RR R R R R R? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?o u t itRUURR????當△ Rt=0時 ： o u t iRUUR????△ Rt≠0 時， Uout=f(△ t)是非線性關(guān)系，恒壓源供電不能消除溫度影響。 11:24 AM 108 恒流源供電 )(2 tA D CA B C RRRR ????III A DCABC ????21R1+ △ R1 R2 △ R2 Uout R3 △ R3 R4+ △ R4 A B C D 11:24 AM 109 outU I R? ? ? ? outUR? ??11( ) ( )22o u t t tU I R R R I R R R? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 可見 ， 電橋輸出與電阻變化成正比 ， 即與被測量成正比 ， 與恒流源電流成正比 ， 即與恒流源電流大小和精度有關(guān) 。 但 與溫度無關(guān) ， 因此不受溫度的影響 。 但是 ， 壓阻器件本身受到溫度影響后 ， 要產(chǎn)生零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移 ， 因此必須采取溫度補償措施 。 11:24 AM 110 3. 零點溫度補償 零點溫度漂移是由于 四個擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的 。一般用串、并聯(lián)電阻法補償，如圖所示。其中， RS是串聯(lián)電阻； RP是并聯(lián)電阻。 串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用 ； 并聯(lián)電阻主要起補償作用 。補償原理如下： R2 R4 R1 R3 USC 溫度漂移的補償 Rp B C D A RS E Di 11:24 AM 111 由于零點漂移 ， 導致 B、 D兩點電位不等 ， 譬如 ， 當溫度升高時 ， R2的增加比較大 ， 使 D點電位低于 B點 ， B、 D兩點的電位差即為零位漂移 。 要消除 B、 D兩點的電位差 ， 最簡單的辦法是在 R2上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為負 、 阻值較大的電阻 RP， 用來約束 R2的變化 。 這樣 ， 當溫度變化時 ， 可減小 B、 D點之間的電位差 ， 以達到補償?shù)哪康?。 當然 ， 如在R3上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為正 、 阻值較大的電阻進行補償 ，作用是一樣的 。 R2 R4 R1 R3 USC 溫度漂移的補償 Rp B C D A RS E Di 11:24 AM 112 下面給出計算 RS、 RP的方法。 設(shè) R1?、 R2?、 R3?、 R4?與 R1″ 、 R2″ 、 R3″ 、 R4″為四個橋臂電阻在低溫和高溫下的實測數(shù)據(jù)， RS?、 RP?與 RS?、 RS?分別為 RS、 RP在低溫與高溫下的欲求數(shù)值。 根據(jù)低溫與高溫下 B、 D兩點的電位應該相等的條件，得： 21 234PS PRRRR RRRR???? ??? ????21 234PS PRRRR RRRR?? ???? ?? ?? ??? ???? ??設(shè) RS、 RP的溫度系數(shù) α 、 β 為已知，則得 ? ?TRR SS ?????? ?1 ? ?TRR PP ?????? ?1計算出 RS、 RP后，那么，選擇該溫度系數(shù)的電阻接入橋路，便可起到溫度補償?shù)淖饔谩? 11:24 AM 113 靈敏度溫度漂移 ?漂移的原因：壓阻系數(shù)隨溫度變化引起 溫度 T π44 溫度升高時，壓阻系數(shù)變小 ；溫度降低時，壓阻系數(shù)變大，說明傳感器的 靈敏度系數(shù)為負值 。 11:24 AM 114 ?補償方法：改變電源流電壓的方法 inoutRUUR???inoutoutRTURUU??? ? ? ? ? ? ?? ? ?inoutoutRTURUU??? ? ? ? ? ? ?? ? ?11:24 AM 115 因為 二極管 PN結(jié)的溫度特性為負值，溫度每升高 1℃ 時，正向壓降約減小 (～ )mV。將適當數(shù)量的二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中，見圖。電源采用恒壓源，當溫度升高時，二極管的正向壓降減小，于是電橋的橋壓增加，使其輸出增大。只要計算出所需二極管的個數(shù)，將其串入電橋電源回路，便可以達到補償?shù)哪康摹? R4 R2 R1 Uout R3 方法 2：串聯(lián)正向二極管 11:24 AM 116 壓阻式傳感器常用補償方法 ? 硬件線路補償 ? 軟件補償 ? 專用補償芯片補償 – MCA7707是一種采用 CMOS工藝的模擬傳感信號處理器。它通常被應用于于壓阻式壓力傳感器的校正和溫度補償。 11:24 AM 117 MPX4100A系列集成硅壓力傳感器 薄 膜 溫 度 補償 器 及 第 一級 放 大 器傳 感 器單 元第 二 級 放 大器 及 模 擬 電壓 輸 出 電 路G N DUsUo不 銹 鋼 帽管 芯氟 硅 脂 凝 膠 體 膜引 線引 腳基 座熱 塑 殼 體密 封 真 空 室 ( 參 考 壓 力 )p11:24 AM 118 應用－－三角翼表面壓力測量 11:24 AM 119 壓阻式加速度傳感器 ?懸臂梁 單晶硅襯底采用（ 001）晶向，沿 [110]與 [110]晶向分別擴散二個 (P型 )電阻條 基座 l b h [110] [110] )/(6 22 mNabh mll ???m：質(zhì)量塊的質(zhì)量 (kg) ?b,h：懸臂梁的寬度和厚度（ m） ?l：質(zhì)量塊的中心至懸臂梁根部的距離（ m） ?a：加速度 (m/s2) 11:24 AM 120 微機電系統(tǒng)的微細加工技術(shù) 微細加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐蝕速度與摻雜濃度有關(guān) ,對硅材料進行精細加工 ,制作復雜微小的敏感元件的技術(shù)。 1) 體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工 體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工常用化學腐蝕 （ 濕法 ） 和離子刻蝕 （ 干法 ） 技術(shù) 。 2)表面腐蝕加工 ——犧牲層技術(shù) 該工藝的特點是利用稱為 “ 犧牲層 ” 的分離層 ,形成各種懸式結(jié)構(gòu) 。 11:24 AM 121 ( 2 ) 光刻和腐蝕氧化層( b )熱生成硅氧化膜 單晶硅 ( 1 0 0 ) 面基片( 1 ) 氧化的硅基片( a )光敏膠 ( 3 ) 各 向 異 性腐 蝕 硅( c )( 1 1 1 ) 硅平面5 4 . 7 4 176。? 如圖 (a)、 (b)所示 ,先在單晶硅的（ 100）晶面生長一層氧化層作為光掩膜 ,并在其上覆蓋光刻膠形成圖案 ,再浸入氫氟酸中 ,進行氧化層腐蝕。 ? 然后將此片置于各向異性的腐蝕液（如乙二胺＋鄰苯二酚＋水）對晶面進行縱向腐蝕 ,腐蝕出腔體的界面為（ 111）面 ,與（ 100）表面的夾角為 176。 ,如圖 (c)所示。 單晶硅立體結(jié)構(gòu)的腐蝕加工過程 11:24 AM 122 N S i[ 1 0 0 ]Si3N4Si O2P o L y Si A l空氣腔( a ) ( b )( c ) ( d ) 在 N型硅（ 100）基底上淀積一層 Si3N4作為多晶硅的絕緣支撐 ,并刻出窗口 ,如圖 (a)所示。利用局部氧化技術(shù)在窗口處生成一層SiO2作為犧牲層 ,如圖 (b)所示。 在 SiO2層及余下的 Si3N4上生成一層多晶硅膜并刻出微型硅梁 ,如圖 (c)所示 。 腐蝕掉 SiO2層形成空腔 ,即可得到橋式硅梁 ,如圖 (d)所示 。 另外 ,在腐蝕 SiO2層前先濺鋁 ,刻出鋁壓焊塊 ,以便引線 。 表面腐蝕加工 ——犧牲層技術(shù)形成硅梁過程 11:24 AM 123 11:24 AM 124 內(nèi)容小結(jié) ? 壓阻式傳感器的工作原理 – 壓阻效應、晶面晶向的表示 (密勒指數(shù)、方向余弦 ) ? 壓阻系數(shù)、阻值變化的計算 – 縱、橫向壓阻系數(shù)的計算 – 任意方向電阻條電阻變化的計算 ? 溫度漂移及其補償