力学量敏感器件及其应用PDF电子书下载

目录 1

绪论 1

第一章 半导体压阻效应 5

1.1 晶面和晶向 5

1.1.1 硅晶体结构 5

1.1.2 晶面和晶面指数 7

第三章 半导体力学量敏感器件的设计 5 8

1.1.3 晶向 9

1.2 外力作用下半导体能带结构和载流子运动 10

1.2.1 应力、应变的基本概念及半导体的受力基本方式 10

1.2.2 液体静压强作用下的半导体能带结构 13

2.2.2 受均布压力的等厚圆板 14

1.2.3 单轴应力下的能带结构 16

1.2.4 在应力大于10dyn/cm2情况时的能带结构 19

1.3 压阻系数 22

1.3.1 在晶轴坐标系中压阻系数及计算方法 22

1.3.2 硅在各种应力情况下的压阻系数 27

第二章 弹性元件的力学分析 34

2.1 梁式弹性元件和受扭圆筒的力学分析 34

2.1.1 梁式弹性元件 34

2.1.2 受到扭矩的薄壁圆筒 37

2.2 圆板形弹性元件的力学分析 38

2.2.1 圆板的小挠度分析 39

2.2.3 受均布压力的厚度阶梯形变化 47

2.3.1 基本微分方程和求解方法 50

2.3 矩形板和方板的力学分析 50

2.3.2 里兹法 52

2.4 各向异性和大挠度的影响 53

2.4.1 各向异性板的分析 53

2.4.2 板的大挠度分析 55

3.1 力敏电阻连接方式的选择 58

3.1.1 恒压源供电 59

3.1.2 恒流源供电 61

3.2.1 计算法 62

3.2 晶向的选择 62

3.2.2 图表法 67

3.3 扩散电阻位置的确定 73

3.3.1 C形硅弹性膜片电阻位置的典型设计方法 73

3.3.2 力敏电阻为任意晶向 76

3.4 高精度传感器的设计 78

3.4.1 非线性产生的原因 79

3.4.2 设计实例 81

3.5 硅弹性膜片形状及几何尺寸的设计 83

3.5.1 硅弹性膜片形状的选择 83

3.5.2 硅圆形弹性膜片的几何尺寸 86

3.5.3 力敏元件的设计 88

3.6 晶向所在晶面的验证 94

3.6.1 两晶向互相垂直的验证 94

3.6.2 晶向所在晶面的验证 95

第四章 工艺参数的选择 96

4.1 衬底材料的选择 96

4.1.1 导电类型和电阻率 96

4.1.2 位错密度 97

4.1.3 晶面和晶向 98

4.1.4 衬底切割的质量要求 98

4.2.1 力敏电阻的温度效应 99

4.2 表面掺杂浓度 99

4.2.2 掺杂浓度的选择 101

4.3 扩散结深 103

4.3.1 结深与击穿电压的关系 103

4.3.2 结深与电阻温度效应 105

4.4 钝化方式的选择 105

4.4.1 二氧化硅钝化 106

4.4.2 氮化硅（Si3N4）钝化 108

4.4.3 低压化学汽相淀积多晶硅（LPCVD）及掺氧半绝缘多晶硅（SIPOS）钝化 111

第五章 特殊工艺 113

5.1 N型单晶硅弹性膜片的制备工艺 113

5.1.1 磨杯工艺 113

5.1.2 化学腐蚀 117

5.2.1 外延层弹性膜片的制备 120

5.2 新型硅弹性膜片的制备工艺 120

5.2.2 多晶硅弹性膜片的制备 122

5.2.3 硅-尖晶石、硅-蓝宝石半导体弹性膜片的制备 123

5.3 封接工艺 124

5.3.1 化学粘结法 124

5.3.2 金属化封接 126

5.3.3 橡胶圈封接 127

5.3.4 静电封接 127

5.3.5 低温玻璃封接 129

6.1.1 绝对误差 130

6.1.2 相对误差 130

第六章 参数测试 130

6.1 测量误差 130

6.2 传感器的特性 131

6.2.1 传感器静态特性 132

6.2.2 传感器动态特性 136

6.3 传感器的其它特性 143

6.3.1 温度特性 143

6.3.2 时漂特性 144

6.3.3 电气特性 145

6.3.4 传感器的综合精度 145

6.4.1 测试条件 146

6.4 测试条件及测试设备 146

6.4.2 压力测量设备简介 147

6.5 力学量传感器的主要参数的测量方法 151

6.5.1 量程范围及压力灵敏度的测量方法 152

6.5.2 温度漂移系数及环境温度的测量 153

6.5.3 长时间漂移 155

6.5.4 传感器非线性及综合精度测量 156

6.6 测量结果的数据处理 158

6.6.1 有效数字的处理 158

6.6.2 对多余有效数字的处理 159

6.6.3 等精度测量结果的数据处理 159

7.1.1 零点温度漂移系数的分析 163

第七章 温度漂移的分析及补偿方法 163

7.1 零点温度漂移系数和灵敏度温度漂移系数的分析 163

7.1.2 灵敏度温度漂移系数的分析 164

7.2 产生温度漂移的工艺原因 165

7.3 力敏电阻的等效电路 169

7.4 零点温度漂移补偿方法 170

7.4.1 半桥电路零点温度漂移补偿 171

7.4.2 全桥电路零点温度漂移补偿 172

7.5 灵敏度温度漂移补偿方法 176

7.5.1 恒压源供电的灵敏度温度漂移补偿法 177

7.5.2 恒流源供电的灵敏度温度漂移补偿法 178

8.1.1 硅压阻式力敏器件的集成化 186

第八章 压阻式集成压力敏感器件 186

8.1 硅压阻式力敏器件的集成化 186

8.1.2 力敏器件集成化引起的新矛盾 189

8.2 集成压力敏感器件全桥的设计 191

8.3 单块集成压力敏感器件 195

8.3.1 带温度补偿的集成压力敏感器件 195

8.3.2 带放大器的单块集成压力敏感器件 197

8.3.3 频率输出型的单块集成压力传感器 200

8.3.4 单块集成压力敏感器件的版图设计 202

8.4 混合集成压力敏感器件 205

9.1.1 工作原理 208

9.1 加速度传感器 208

第九章 力学量传感器原理及结构 208

9.1.2 设计方法与典型结构 211

9.1.3 生物工程用微型加速度传感器 214

9.2 扭矩传感器 216

9.2.1 扭矩传感器工作原理 216

9.2.2 扭矩传感器的典型结构 217

9.3 荷载传感器 219

9.3.1 原理 219

9.3.2 结构 221

9.3.3 设计中应注意的问题 222

9.4.1 工作原理 223

9.4 压力传感器 223

9.4.2 典型结构 224

9.4.3 绝对压力传感器 226

9.4.4 半导体应变片式压力传感器 228

9.5 流体传感器 235

9.5.1 工作原理 235

9.5.2 典型结构 235

9.5.3 高静压低差压传感器 239

9.6 集成压力传感器 243

10.1 压力敏感电容器 246

10.1.1 压力敏感电容器的结构 246

第十章 电容式集成压力敏感器件 246

10.1.2 用压力敏感电容器构成电容式压力敏感器件的基本方法 247

10.2 力敏电容的设计 251

10.2.1 圆形膜的压敏电容 251

10.2.2 环形力敏电容的设计 256

10.2.3 方膜上的压敏电容 259

10.3 电容式集成压力敏感器件 260

10.3.1 电压输出型的电容式集成压力敏感器件 260

10.3.2 带驱动源和放大器的集成电容式压力敏感器件 264

10.3.3 频率输出型电容式集成压力敏感器件 266

第十一章 各种力学量传感器的应用 269

11.1 力学量传感器应用系统 269

11.1.1 桥路供电电源 270

11.1.2 放大器 275

11.1.3 模拟／数字转换（ADC） 280

11.1.4 显示器与记录器 286

11.2 力学量传感器应用举例 291

11.2.1 压力传感器 291

11.2.2 流量传感器 295

11.2.3 加速度传感器 301

11.3 提高力学量传感器应用效果的措施 303

11.3.1 信号串联 303

11.3.2 引压 304

11.4 力学量传感器与微型计算机 306

参考文献 314

附录 317

1．t分布表 317

2．串并联电阻的补偿电路公式推导 317

3．二极管补偿电路公式的推导 321

附表 324

表1 力的单位换算表 324

表2 压力单位换算表 326

表3 力矩（或扭矩）单位换算表 332

表4 线性加速度单位换算表 334

表5 质量流量单位换算表 334

表6 体积流量单位换算表 338