【正文】 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(yīng)、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 。 腐蝕掉 SiO2層形成空腔 ,即可得到橋式硅梁 ,如圖 (d)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。 ,如圖 (c)所示。? 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(jìn)行氧化層腐蝕。 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 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(yīng)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(kuò)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(xì)加工技術(shù) 微細(xì)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(jìn)行精細(xì)加工 ,制作復(fù)雜微小的敏感元件的技術(shù)。 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。電源采用恒壓源，當(dāng)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。 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(fù)值，溫度每升高 1℃ 時，正向壓降約減小 (～ )mV。 根據(jù)低溫與高溫下 B、 D兩點的電位應(yīng)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? 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。 這樣 ， 當(dāng)溫度變化時 ， 可減小 B、 D點之間的電位差 ， 以達(dá)到補償?shù)哪康?。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(dǎo)致 B、 D兩點電位不等 ， 譬如 ， 當(dāng)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 。其中， RS是串聯(lián)電阻； RP是并聯(lián)電阻。 11:24 AM 110 3. 零點溫度補償 零點溫度漂移是由于 四個擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的 。 但 與溫度無關(guān) ， 因此不受溫度的影響 。 設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以使得 : = 于是有 11:24 AM 106 恒壓源供電 擴(kuò)散電阻起始阻值都為 R，當(dāng)有應(yīng)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(dāng)△ 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。 [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(fù)值 ， 內(nèi) 、 外電阻值的變化率應(yīng)為 4412 riiRR ????? ?????4412 rooRR ????? ??????ri?ro?iRR???????oRR ?????? ?ri?ro??ioRRRR??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?即可組成差動電橋 。 x= ， σ t=0， 僅有 σ r存在 ， 且 σ r0， 即為壓應(yīng)力 。 ? ? ? ?2223 138r P rxh? ? ???? ? ? ???? ? ? ?2223 1 1 38t P rxh? ? ???? ? ? ???11:24 AM 95 σt σr σr σt σt σr 3P 4 r h 2 3Pμ 4 r h 2 3P(1+μ) 8 r h 2 平膜片的應(yīng)力分布圖 根據(jù)上兩式作出曲線就可得圓形平膜片上各點的應(yīng)力分布圖 。 擴(kuò)散電阻的長邊平行于膜片半徑時為 徑向電阻 Rr；垂直于膜片半徑時為 切向電阻 Rt。 １ ２ ３ ４ ５ ７ ６ 1 NSi膜片 2 PSi導(dǎo)電層 3 粘貼劑 4 硅底座 5 引壓管 6 Si 保護(hù)膜 7 引線 固態(tài)壓阻器件的結(jié)構(gòu)原理 11:24 AM 92 當(dāng)硅單晶在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時，如圖 (a)所示，其阻值的相對變化為： 式中 σ l—— 縱向應(yīng)力； σ t—— 橫向應(yīng)力； π l—— 縱向壓阻系數(shù)； π t—— 橫向壓阻系數(shù)。 四、固態(tài)壓阻器件 11:24 AM 91 利用固體擴(kuò)散技術(shù) ， 將 P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片 N型硅底層上 ， 形成一層極薄的導(dǎo)電 P型層 ， 裝上引線接點后 ， 即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 。 ? 由于各自的特點及局限性，它雖然不能全面取代上述各種力學(xué)量傳感器，但是，從八十年代中期以后，在傳感器市場上，它已是壓力傳感器中的重要品種， 并與壓電式幾乎平分了加速度傳感器的國際市場 。 120 140 100 80 60 40 20 1018 1019 1020 1021 表面雜質(zhì)濃度 NS /cm3 P型 Si(π44) N型 Si(π11) π11或 π 44 / 1011m2/N T=24℃ 壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度 NS的關(guān)系 ?擴(kuò)散雜質(zhì)濃度增加，壓阻系數(shù)都要減小 11:24 AM 87 解釋： 1ne??????n：載流子濃度 ?e：載流子所帶電荷 ?μ ：載流子遷移率 ?ρ ：電阻率 ?Ns↑→雜質(zhì)原子數(shù)多 →載流子多 → n↑→ρ↓ ?雜質(zhì)濃度 Ns↑→ n↑→在應(yīng)力作用下 ρ的變化更小△ ρ↓→△ ρ/ ρ↓ ???? ??????11:24 AM 88 ?表面雜質(zhì)濃度低時，溫度增加壓阻系數(shù)下降快 ?表面雜質(zhì)濃度高時，溫度增加壓阻系數(shù)下降慢 11:24 AM 89 ?????en1解釋： ?T↑→載流子獲得的動能 ↑→運動亂→μ↓→ρ↑↑→△ ρ/ ρ ↓→ π ↓ ? Ns大， μ變化較小 → π變化小 ? Ns小， μ變化大 → π變化大 ? Ns大： –π受溫度影響小 –高濃度擴(kuò)散，使 pn結(jié)擊穿電壓 ↓→絕緣電阻↓ →漏電 →漂移 →性能不穩(wěn)定 11:24 AM 90 ? 固態(tài)壓阻壓力傳感器，誕生