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第三章 微电子力学传感器 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。 1 应变片的结构 3 应变片电阻值（R。） 原始阻值趋于标准化， 60Ω，120Ω，350Ω，600Ω，1000Ω各种阻值； 其中120Ω为最常使用。 6 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 温度补偿方法 应变片自补偿 桥路补偿 例： 分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理 解： R1 R2置于同一温度下，但R2对应力不敏感 例 分析全桥测量的温度补偿。 解： 全桥测量本身 就具有温度补 偿功能 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。 二、硅压阻集成压力传感器 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 σx σz σy F R1 R2 R3 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？ ? +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 ? 半导体应变计的灵敏度比金属丝式的要高50~80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 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 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 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 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。 * * 北京大学 微电子学研究所 * * * 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 —— 金属材料的电阻相对变化与轴向线应变成正比 Km金属丝材的 应变灵敏系数 轴向线应变 表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。 2 应变片测试原理 电阻——〉应变——〉应力——〉外力 敏感栅 4 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 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。 σ为外力作用下材料内部产生的应力，π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 半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应 灵敏度高 半导体应变计 体型 扩散型：感压硅膜 5 测量电