微尺度应变器及其特性在线视频

在布置应变器之前

我们先来看一下微尺度下的应变器的特性

我们知道

金属或半导体在发生应变时

其电阻或电阻率会发生变化

因此可以用金属或半导体

来制作应变检测器

在宏观系统中

我们用金属或半导体应变片

把应变片贴在被测物体表面进行应变检测

而在微系统中

应变器是和被测微结构集成制造在一起的

微尺度的应变器有两种

一种是金属薄膜

经图形化加工后形成的图形化的导路

另一种是对半导体进行图形化掺杂

形成的图形化导路

微尺度的应变器

是集成制作在微结构表面的薄膜或薄层结构

厚度在50纳米到5微米

主要是由薄膜沉积工艺和半导体掺杂工艺决定的

另外应变器不能太厚

否则对微结构的应变会造成影响

应变器的横向尺寸范围很大

从几个微米到几个毫米

特别是长度

为了能够布置在微结构上

通常要做成弯折的形状

应变器的主要特性是电阻随应变而变

金属应变器的电阻变化

是因为应变改变了金属电阻的几何尺寸

从而引起电阻的变化

对金属应变器来说

电阻变化与应变的关系用应变系数K来表示

如果把金属应变器上任何一点的应变

分解为沿应变器长度

宽度和厚度方向的分量

那么三个方向对应的应变系数并不同

除了应变

温度变化也会引起金属应变器的电阻变化

温度与电阻变化的关系用温度系数来表示

所以实际测量的电阻变化就包含被测因素和干扰因素

在微系统中

金属薄膜导路除了用作应变器外

还经常用于导电连接

这时候就需要保持电阻不变

要想办法避免应变和温度变化的影响

半导体应变器的电阻变化

主要是因为应变引起半导体电导率发生变化

半导体应变器的压阻效应

通常用电阻变化与应力的关系来表示

关系系数称为压阻系数

半导体应变器上任何一点的应力可以分解为沿导路

称为纵向

和垂直于导路

称为横向的分量

相应的系数称为纵向压阻系数和横向压阻系数

同样的

温度变化也会引起半导体电导率变化

电阻变化和温度的关系用温度系数来表示

那么电阻的测量值中不仅包含被测因子

也包含干扰因子

同样的在微系统中

掺杂半导体也常用作电阻或导电连接

这时要保持电阻不变

就要避免应变和温度变化的影响

这里要指出的是

半导体的压阻系数与半导体的晶向有关

比如对于(100)硅片

我们知道它的表面是(100)晶面

主参考方向是[110]方向

(100)硅片上p型掺杂的应变器

沿[110]方向的横向压阻系数和纵向压阻系数都为最大值

但符号相反

纵向压阻系数为正

横向压阻系数为负

而其他方向上的压阻系数非常小

在(100)方向上甚至为0

这说明什么呢

如果我们在(100)硅片的[100]方向上制备p型应变器

那么这个应变器就检测不到应变

而如果我们沿[110]方向制备P型应变器

则得到最大的检测信号

但是对于(111)硅片

P型掺杂的应变器在任何方向上的压阻系数都相等

纵向压阻系数的绝对值大于横向压阻系数

符号相反

这说明

如果我们想要掺杂半导体器件的电阻对方向不敏感

可以选择(111)硅片

半导体压阻系数除了与半导体晶向有关外

还与半导体的掺杂类型和掺杂浓度有关

比如同样是(110)硅片

n掺杂的压阻系数

和p掺杂的压阻系数的大小和方向性

就完全不同

这是掺杂浓度和温度与压阻系数的关系

可以看到在右边的重掺杂区域

压阻效应较低

但不受温度影响

而在低浓度区域

虽然压阻效应较高

但温度的影响非常明显

所以对于高精度的传感器

常常采用重掺杂的应变器

牺牲灵敏度来避免温度的干扰