關于壓力傳感器的零點電漂移與反向漏電問題及解決

關于壓力傳感器的零點電漂移與反向漏電問題及解決，過去在標征壓力傳感器的指標時，忽略了力敏電阻的非線性、零點電漂移、反向漏電流，但是這些問題對壓力傳感器的質(zhì)量卻有很大的影響。本文又討論了造成力敏電阻非線性、電漂移、漏電流的各種因素，還提出一個表明零點熱漂移和反向漏電流之間與傳統(tǒng)公式不同的關系式。關鍵詞：力敏電阻非線性、零點電漂移、反向漏電流 引言：    用半導體硅集成電路工藝制備壓力傳感器已有30多年歷史了，隨著市場需求以每年20%的速度增長，競爭十分劇烈，但仍存在以下問題迫切需要解決，并應引起注意：    電阻非線性問題突出（1，2，3）：力敏電阻依靠p-n結(jié)與襯底隔離，在p區(qū)側(cè)的耗盡層寬度與外加電壓有關。故電阻條的有效導電厚度隨外加電壓而變化，表現(xiàn)為非線性。并直接導致零點的電漂移。零點電漂移（1，2，3）：壓力傳感器的特性指標除*的幾個之外，我們在上百次對國內(nèi)外不同品種的壓力傳感器進行測定時，均發(fā)現(xiàn)零點電漂移現(xiàn)象，在上這是我們觀察到并給予定義的。零點電漂移影壓力傳感器的測量精度，使靈敏度大大降低。零點熱漂移與漏電問題（1，2，3）： 零點熱漂移是影響壓力傳感器性能的重要指標，受到廣泛重視。上認零點熱漂移僅取決于力敏電阻的不等性及其溫度非線性，但我們認為零點熱漂移還與力敏電阻的反向漏電有關，作出了重要補充。還指出多晶硅可以吸除襯底中的重金屬雜質(zhì)，從而減小力敏電阻的反向漏電、改善零點熱漂移，提高傳感器的性能。一、 零點電漂移（1，2，3）    壓力傳感器的特性指標中除*的量程范圍、精度、非線性誤差、遲滯、穩(wěn)定性、重復性、靈敏度、零點及二者的熱漂移、動態(tài)響應特性、噪聲等指標外，在上我們首先發(fā)現(xiàn)并提出零點電漂移也應作為一個特性指標。     （1）零點電漂移的定義（1，2，3）    在外加電壓V＝V0時，可調(diào)整橋臂電阻使壓力P＝0時的輸出 ，但 我們把這種現(xiàn)象稱作零點電漂移。零點電漂移影響壓力傳感器的測量精度，使靈敏度大降。力敏電橋的輸出U與壓力P及外加電壓 之間在三維空間的典型曲線如圖1所示。      （2）理論分析（1）     壓阻型硅半導體壓力傳感器利用四個力敏電阻構(gòu)成電橋。但電橋用V激勵時，電橋的輸出為： ，式中， 為電橋的不平衡量。                當P=0時         k=Const   考慮溫度一定時，橋激勵電壓的變化則有：                   因為力敏電阻用擴散法制備，依靠p-n結(jié)與襯底隔離，空間電荷區(qū)的寬度與外加電壓有關，因為力敏電阻條的有效導電寬度隨外加電壓以及沿電阻條長度而變化，因此力敏電阻具有非線性。圖3和圖4示出表面濃度對整條電阻及前后串聯(lián)電阻比的影響（2）。圖5中a,b分別示出實驗的非線性關系（3），可見不考慮反向漏電時，Rf/Rr比隨外加電壓增加而減小。     電阻條的漏電流也會引起電阻條的非線性。p-n結(jié)的產(chǎn)生電流是漏電流的主要部分，與空間電荷區(qū)寬度成正比。漏電流密度Jx為（4）：    Jx=    ynx k    τg?D少子壽命；ni?D本征載流子濃度。    理論計算指出：歐姆電流 ，反向漏電流  平均反向漏電流  ，表現(xiàn)電阻Rap＝ ＝ 隨V0增大而增大。且電橋串聯(lián)前后電阻比 隨V0增大而增大，這與有效導電寬度所造成的非線性性質(zhì)相反。因此在室溫下的實驗結(jié)果（ 隨V0增大而減?。┳C實，造成電阻條非線性的原因是有效導電寬度隨外加電壓的變化而變化。    溫度T與室溫T0下的反向漏電之比為 。一般來說，溫度每增加8oC，反向漏電流約增加一倍。只有當溫度升高到70~80oC，反響漏電約為室溫下50~60倍，達到1μA以上才能引起擴散電阻的非線性。此時反向漏電流也會引起熱零點漂移。    利用PSPICE軟件可以模擬壓力傳感器的非線性電阻電橋電路。用受電壓控制電壓源來代替非線性電阻。在橋壓V=V0附近用臺勞級數(shù)展開非線性電阻（1，2，3）：         即a1、a4<0,a2、a3>0,成功模擬出零點電漂移特性，且與試驗結(jié)果十分吻合。這進一步證明零點電漂移與力敏電阻非線性有關，而非線性在50oC以下起因于有效導電寬度隨外加電壓的變化。（3）零點電漂移的利用（3）    利用零點電漂移可以消除壓力傳感器的熱零點漂移。方法是在橋外串聯(lián)熱敏電阻R （1+βt）和恒定電阻R0，外加電壓為V，橋上的電壓VB=V/η，η=[RB+R0+ R （1+βt）]/RB，RB是壓阻橋的等效電阻，則電橋的零點輸出U0為：    U0= =       令： ， 。    如果  ，則  ，這就意味著，可以利用電漂移（A）來消除熱漂移。當A/ <0，則β<0，要串接NTC熱敏電阻，當A/ >0，則β>0，要串接PTC熱敏電阻。 熱零點漂移可消除，但零點U0依然存在，這要依靠后續(xù)放大電路中的電平移動來消除。 二、反向漏電對零點熱漂移的影響2005年Boukabach提出熱零點漂移僅僅受單一力敏電阻的溫度非線性 的影響的模型（5）。    Boukabach 的模型中電橋的零點輸出為：     （1）    Boukabach也提出，組成惠斯頓電橋的兩個半橋輸出U 和U 熱變化也具拋物線形狀，但兩者的極值及極值所對應溫度并不一致。我們將它們分別表示為：    U ＝      和    U ＝     組成全橋時的零點輸出應為：      （2）    比較式（1）和（2）可得                 Boukabach已推出下列公式 ，其中i=1或2。f和r分別代表組成惠斯頓電橋半橋 串聯(lián)的前和后的電阻器的序號。α和β為電阻器的溫度系數(shù)一次項和二次項的系數(shù)?？梢钥闯?nbsp;和 是獨立隨機的出現(xiàn)在任何溫度。    Boukabach 的三條拋物線（兩個半橋和一個全橋）的極值溫度試驗值分別為 ℃　、 ℃  和  ℃，若將溫度范圍劃分為低（ ℃）、中（0?D60℃）、高（60?D120℃）及很高（ ℃）四個區(qū)間（保守估計）。120℃以上，本征載流子激發(fā)，力敏電阻的P?DN結(jié)隔離失效。因此Tm，Tm1，Tm2同時落在60?D120℃溫區(qū)的概率是很小的，但這與其結(jié)果相矛盾。     我們對 Boukabach的這三條拋物線試驗曲線作了計算，a=0.014，a1=0.03，a2=0.022，mv/℃2即 ,發(fā)現(xiàn)式（1）并不等于式（2）。究其原因有兩點：一是試驗值與所畫拋物曲線偏差；二是兩個半橋的漏電流不一樣。因此，我們認為3個極值同時出現(xiàn)在高溫區(qū)決不是偶然因素。這正是高溫時（一般認為 ℃），由P?DN結(jié)隔離的電阻條的漏電流所造成的。反向漏電與溫度成指數(shù)關系：     ℃）exp     即使室溫下，反向漏電流僅為0.1μA，到80℃和100℃時的漏電流可分別達7μA和30μA。便會影響力敏電阻的表觀值。而且對二串連電阻的后一條的表觀值影響更為嚴重，使其分壓比增加，零點輸出發(fā)生轉(zhuǎn)折。我們認為Boukabach的試驗結(jié)果在拋物線的極值點溫度下，零點電壓發(fā)生轉(zhuǎn)折（由增加變?yōu)闇p少），很可能是由于漏電造成的，并非偶然原因。不過，在～40℃以下，漏電一般不嚴重，其影響可以忽略，Boukabach基于力敏電阻的溫度非線性解釋是有效的。在50℃以上漏電不能忽略，應考慮對零點熱漂移的影響，需作這一補充。    省去推導過程，只在下面表示簡略結(jié)果。對于半橋的輸出 V1與溫度關系為：         其中V0為橋電壓； ， 為力敏電阻的溫度系數(shù)。Il0為0℃下的半橋漏電，I0為遵守歐姆定律電流。對于全橋的零點電壓為：         其中 為0℃兩半橋的反向漏電差。    Boukabach提出的公式如下：對于半橋的輸出為         對于全橋的輸出為：         取 便得到近似式?？梢夿oukabach的公式只有前面方括號項而無后面的指數(shù)項。后面項是對前者的補充。只有反相漏電 以及兩半橋反相漏電差 比較小時，Boukabach拋物線模型才成立。我們的模型是拋物線加指數(shù)模型，實驗的結(jié)果證明，即使是國外公司的傳感器，也不能忽略漏電，其零點電壓為0～30mV，0~50℃范圍零點漂移2mV，零點電壓與 的關系經(jīng)過擬合后為：     。 和 為非拋物線項，代表反向漏電的影響。這是對Boukabach的單一拋物線模型的補充。其意義在于要減小熱零點漂移，不僅要求四條力敏電阻值一致，而且要求工藝環(huán)境清潔，并采取吸雜技術，吸除硅片中的金屬雜質(zhì) 


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