生物医学传感电阻传感器解析课件.ppt
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- 生物医学 传感 电阻 传感器 解析 课件
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1、上次课内容回顾上次课内容回顾1.1.弹性敏感元件弹性敏感元件2.2.应变片电阻传感器的工作原理应变片电阻传感器的工作原理 应变效应应变效应 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性3.3.电桥转换电路和温度补偿原理电桥转换电路和温度补偿原理4.4.应变片式传感器的应用应变片式传感器的应用 FFL Lr r材料阻值变化材料阻值变化:(12)ddRR几何形状变化的影响几何形状变化的影响应变效应应变效应压阻效应压阻效应电阻率发生变化的影响电阻率发生变化的影响一、压阻效应一、压阻效应 压阻效应压阻效应:当固体材料在某一方向承受应力时,其电阻率(或电阻)发生变化的现象。:d(:为压阻系数;应力)电阻相对
2、变化量:电阻相对变化量:1212dRER 式中:压阻系数;E弹性模量;应力;应变。对对半导体材料半导体材料:sdREKRmmsKKK10050对对金属材料金属材料:(12)mdRKR压阻式传感器分类压阻式传感器分类体型压力传感器体型压力传感器:半导体应变式半导体应变式固态压阻式传感器固态压阻式传感器(扩散(扩散型压阻传感器)型压阻传感器):应变电阻与硅基片一体化应变电阻与硅基片一体化固态压阻式传感器的特点固态压阻式传感器的特点 灵敏度高灵敏度高 分辨率高分辨率高 体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高 温度误差大温度误差大天然形成的石英晶体天然形成的石英晶体二、晶向的表示方法二、
3、晶向的表示方法C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示rqpOCOCOBOBOAOAzyx:硅为立方晶体结构硅为立方晶体结构单位晶面单位晶面晶向是晶面的法线方向,根据有关的规定:晶向是晶面的法线方向,根据有关的规定:晶面晶面符号为符号为(hklhkl)晶面全集晶面全集符号为符号为 hklhkl 晶向晶向符号为符号为 hklhkl 晶向全集晶向全集符号为符号为hklhkl11 1:xyzOAOBOCh k lOAOBOCp q rh、k、l称为密勒指数称为密勒指数C ZOBAXY11分析立方晶体中的晶面、晶向分析立方晶体中的晶面、晶向(110)110100(100)(111)11
4、1001100010110100001ZYX单晶硅内几种不同晶向与晶面(b)(a)v 对立方晶系(对立方晶系(x=y=z,xyz),x=y=z,xyz),面指数为(面指数为(hklhkl)的的晶面与密勒指数为晶面与密勒指数为 hklhkl 的晶向彼此垂直。的晶向彼此垂直。X【例例】111111v晶向、晶面分别为:v 晶向、晶面、晶面族分别为:xy111zzxy4-2-2 122122122三、压阻系数三、压阻系数1 1、单晶硅的压阻系数、单晶硅的压阻系数d654321,654321,v六个独立的应力分量:六个独立的应力分量:v六个独立的电阻率的变化率:六个独立的电阻率的变化率:电阻率的变化与应
5、力分量之间的关系电阻率的变化与应力分量之间的关系:654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654321分析分析:剪切应力不可能产生正向压阻效应 正向应力不可能产生剪切压阻效应 剪切应力只能在剪切应力平面内产生压阻效应 剪切压阻系数相等 正向压阻系数相等 横向压阻系数相等111212121112121211444444000000000000000000000000441211、分别为纵向、横向和分别为纵向、横向和剪切方向的压阻系数剪切方向的压阻系数分量分量压阻系数矩阵压阻系数矩阵
6、:对对P P型硅型硅(掺杂三价元素)掺杂三价元素):1111、121200,只考虑只考虑4444 :对对N N型硅型硅(掺杂五价元素)掺杂五价元素):44 44 00 ,12 12 -1/2-1/211 11,晶体晶体导电类型导电类型电阻率(电阻率(.m).m)11 12 44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138.1-13.6压阻压阻系数(系数(1010-11-11m m2 2/N/N)pQ2 2、任意方向(、任意方向(P P方向)电阻变化方向)电阻变化/123/dRR v:纵向应力纵向应力v:横向应力横向应力v:纵向压阻系数纵向压阻系数v:横向压阻系数横向压阻
7、系数将各个压阻系数向将各个压阻系数向P P、Q Q方向投影方向投影:v(l1,m1,n1):P方向余弦方向余弦v(l2,m2,n2):Q方向余弦方向余弦222222/11111244111111-2(-)()l mm nl n2 22222121112441 21212(-)()l lm mn n222coshlhkl222coslnhkl222coskmhkl某晶向某晶向 hkl(h,k,lhkl(h,k,l是密勒指数)的方向余弦为是密勒指数)的方向余弦为:例例11:计算(计算(100100)晶面内)晶面内011011晶向的纵向与晶向的纵向与横向压阻系数。横向压阻系数。v(100)晶面内晶面
8、内 011 晶向的横向为晶向的横向为 011 晶向晶向yxzv 设设011与与011晶向的方向余弦分别为:晶向的方向余弦分别为:l1、m1、n1,l2、m2、n201l21111221m21111221n02l211)1(1222m211)1(1222n222222/11111244111111=-2(-)(l m+m n+l n)2 22222121112441 21212=+(-)(l l+m m+n n)(212121)(244121144121111/)(21)21212121)(441211441211121112/444401122P 对 型硅:441211/111110,2114
9、4N 对 型硅:对对P P型硅型硅(掺杂三价元素)掺杂三价元素):只考虑只考虑4444 对对N N型硅型硅(掺杂五价元素)掺杂五价元素):12 12 -1/2-1/211 11 例例2:计算(计算(110)晶面内)晶面内110晶向的纵向晶向的纵向与横向压阻系数。与横向压阻系数。v设(设(110110)晶面内晶向的一般形式为晶面内晶向的一般形式为 hklhkl,则:则:0011lkhkhv取取(110)晶面内晶面内 110 晶向的横向为晶向的横向为 001lhh一般形式为:v设设 110 与与 001 晶向的方向余弦分别为:晶向的方向余弦分别为:l1、m1、n1,l2、m2、n201n21)1(
10、11221l21)1(11221m02l02m12n)(212121)(244121144121111/12441211120)(02144/型硅:对P1111/2141型硅:对N3 3、影响压阻系数的因素、影响压阻系数的因素 扩散电阻的扩散电阻的表面杂质浓度表面杂质浓度和和温度温度。120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS/cm-3P型Si(44)N型Si(-11)11或44/10-11m2/NT=27压阻系数与表面杂质浓度NS的关系解释:1nevn:载流子浓度载流子浓度ve:载流子所带电荷载流子所带电荷v:载流子迁移率载流子迁移率v:电阻率电阻率v
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