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关于压力传感器的零点电漂移与反向漏电问题及解决
发布时间:2015.03.28 新闻来源:山东佰测|西安先行|变送器|传感器-山东佰测仪表有限公司 浏览次数:
 

关于压力传感器的零点电漂移与反向漏电问题及解决,过去在标征压力传感器的指标时,忽略了力敏电阻的非线性、零点电漂移、反向漏电流,但是这些问题对压力传感器的质量却有很大的影响。本文又讨论了造成力敏电阻非线性、电漂移、漏电流的各种因素,还提出一个表明零点热漂移和反向漏电流之间与传统公式不同的关系式。关键词:力敏电阻非线性、零点电漂移、反向漏电流 引言:    用半导体硅集成电路工艺制备压力传感器已有30多年历史了,随着市场需求以每年20%的速度增长,竞争十分剧烈,但仍存在以下问题迫切需要解决,并应引起注意:    电阻非线性问题突出(1,2,3):力敏电阻依靠p-n结与衬底隔离,在p区侧的耗尽层宽度与外加电压有关。故电阻条的有效导电厚度随外加电压而变化,表现为非线性。并直接导致零点的电漂移。零点电漂移(1,2,3):压力传感器的特性指标除众所周知的几个之外,我们在上百次对国内外不同品种的压力传感器进行测定时,均发现零点电漂移现象,在国际上这是我们领先观察到并给予定义的。零点电漂移影压力传感器的测量精度,使灵敏度大大降低。零点热漂移与漏电问题(1,2,3): 零点热漂移是影响压力传感器性能的重要指标,受到广泛重视。国际上认零点热漂移仅取决于力敏电阻的不等性及其温度非线性,但我们认为零点热漂移还与力敏电阻的反向漏电有关,作出了重要补充。还指出多晶硅可以吸除衬底中的重金属杂质,从而减小力敏电阻的反向漏电、改善零点热漂移,提高传感器的性能。一、 零点电漂移(1,2,3)    压力传感器的特性指标中除众所周知的量程范围、精度、非线性误差、迟滞、稳定性、重复性、灵敏度、零点及二者的热漂移、动态响应特性、噪声等指标外,在国际上我们首先发现并提出零点电漂移也应作为一个特性指标。     (1)零点电漂移的定义(1,2,3)    在外加电压V=V0时,可调整桥臂电阻使压力P=0时的输出 ,但 我们把这种现象称作零点电漂移。零点电漂移影响压力传感器的测量精度,使灵敏度大降。力敏电桥的输出U与压力P及外加电压 之间在三维空间的典型曲线如图1所示。      (2)理论分析(1)     压阻型硅半导体压力传感器利用四个力敏电阻构成电桥。但电桥用V激励时,电桥的输出为: ,式中, 为电桥的不平衡量。                当P=0时         k=Const   考虑温度一定时,桥激励电压的变化则有:                   因为力敏电阻用扩散法制备,依靠p-n结与衬底隔离,空间电荷区的宽度与外加电压有关,因为力敏电阻条的有效导电宽度随外加电压以及沿电阻条长度而变化,因此力敏电阻具有非线性。图3和图4示出表面浓度对整条电阻及前后串联电阻比的影响(2)。图5中a,b分别示出实验的非线性关系(3),可见不考虑反向漏电时,Rf/Rr比随外加电压增加而减小。     电阻条的漏电流也会引起电阻条的非线性。p-n结的产生电流是漏电流的主要部分,与空间电荷区宽度成正比。漏电流密度Jx为(4):    Jx=    ynx k    τg?D少子寿命;ni?D本征载流子浓度。    理论计算指出:欧姆电流 ,反向漏电流  平均反向漏电流  ,表现电阻Rap= = 随V0增大而增大。且电桥串联前后电阻比 随V0增大而增大,这与有效导电宽度所造成的非线性性质相反。因此在室温下的实验结果( 随V0增大而减小)证实,造成电阻条非线性的原因是有效导电宽度随外加电压的变化而变化。    温度T与室温T0下的反向漏电之比为 。一般来说,温度每增加8oC,反向漏电流约增加一倍。只有当温度升高到70~80oC,反响漏电约为室温下50~60倍,达到1μA以上才能引起扩散电阻的非线性。此时反向漏电流也会引起热零点漂移。    利用PSPICE软件可以模拟压力传感器的非线性电阻电桥电路。用受电压控制电压源来代替非线性电阻。在桥压V=V0附近用台劳级数展开非线性电阻(1,2,3):         即a1、a4<0,a2、a3>0,成功模拟出零点电漂移特性,且与试验结果十分吻合。这进一步证明零点电漂移与力敏电阻非线性有关,而非线性在50oC以下起因于有效导电宽度随外加电压的变化。(3)零点电漂移的利用(3)    利用零点电漂移可以消除压力传感器的热零点漂移。方法是在桥外串联热敏电阻R (1+βt)和恒定电阻R0,外加电压为V,桥上的电压VB=V/η,η=[RB+R0+ R (1+βt)]/RB,RB是压阻桥的等效电阻,则电桥的零点输出U0为:    U0= =       令: , 。    如果  ,则  ,这就意味着,可以利用电漂移(A)来消除热漂移。当A/ <0,则β<0,要串接NTC热敏电阻,当A/ >0,则β>0,要串接PTC热敏电阻。 热零点漂移可消除,但零点U0依然存在,这要依靠后续放大电路中的电平移动来消除。 二、反向漏电对零点热漂移的影响2005年Boukabach提出热零点漂移仅仅受单一力敏电阻的温度非线性 的影响的模型(5)。    Boukabach 的模型中电桥的零点输出为:     (1)    Boukabach也提出,组成惠斯顿电桥的两个半桥输出U 和U 热变化也具抛物线形状,但两者的极值及极值所对应温度并不一致。我们将它们分别表示为:    U =      和    U =     组成全桥时的零点输出应为:      (2)    比较式(1)和(2)可得                 Boukabach已推出下列公式 ,其中i=1或2。f和r分别代表组成惠斯顿电桥半桥 串联的前和后的电阻器的序号。α和β为电阻器的温度系数一次项和二次项的系数。可以看出 和 是独立随机的出现在任何温度。    Boukabach 的三条抛物线(两个半桥和一个全桥)的极值温度试验值分别为 ℃ 、 ℃  和  ℃,若将温度范围划分为低( ℃)、中(0?D60℃)、高(60?D120℃)及很高( ℃)四个区间(保守估计)。120℃以上,本征载流子激发,力敏电阻的P?DN结隔离失效。因此Tm,Tm1,Tm2同时落在60?D120℃温区的概率是很小的,但这与其结果相矛盾。     我们对 Boukabach的这三条抛物线试验曲线作了计算,a=0.014,a1=0.03,a2=0.022,mv/℃2即 ,发现式(1)并不等于式(2)。究其原因有两点:一是试验值与所画抛物曲线偏差;二是两个半桥的漏电流不一样。因此,我们认为3个极值同时出现在高温区决不是偶然因素。这正是高温时(一般认为 ℃),由P?DN结隔离的电阻条的漏电流所造成的。反向漏电与温度成指数关系:     ℃)exp     即使室温下,反向漏电流仅为0.1μA,到80℃和100℃时的漏电流可分别达7μA和30μA。便会影响力敏电阻的表观值。而且对二串连电阻的后一条的表观值影响更为严重,使其分压比增加,零点输出发生转折。我们认为Boukabach的试验结果在抛物线的极值点温度下,零点电压发生转折(由增加变为减少),很可能是由于漏电造成的,并非偶然原因。不过,在~40℃以下,漏电一般不严重,其影响可以忽略,Boukabach基于力敏电阻的温度非线性解释是有效的。在50℃以上漏电不能忽略,应考虑对零点热漂移的影响,需作这一补充。    省去推导过程,只在下面表示简略结果。对于半桥的输出 V1与温度关系为:         其中V0为桥电压; , 为力敏电阻的温度系数。Il0为0℃下的半桥漏电,I0为遵守欧姆定律电流。对于全桥的零点电压为:         其中 为0℃两半桥的反向漏电差。    Boukabach提出的公式如下:对于半桥的输出为         对于全桥的输出为:         取 便得到近似式。可见Boukabach的公式只有前面方括号项而无后面的指数项。后面项是对前者的补充。只有反相漏电 以及两半桥反相漏电差 比较小时,Boukabach抛物线模型才成立。我们的模型是抛物线加指数模型,实验的结果证明,即使是国外著名公司的传感器,也不能忽略漏电,其零点电压为0~30mV,0~50℃范围零点漂移2mV,零点电压与 的关系经过拟合后为:     。 和 为非抛物线项,代表反向漏电的影响。这是对Boukabach的单一抛物线模型的补充。其意义在于要减小热零点漂移,不仅要求四条力敏电阻值一致,而且要求工艺环境清洁,并采取吸杂技术,吸除硅片中的金属杂质


 

 

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