《传感器原理及应用》课程PPT教学课件（现代传感技术）第14讲 薄膜传感器、薄膜应变片

第八章薄膜传感器 在基底材料上用物理或化学的方法制成敏 感材料薄层(几百nm几μm)。 ●薄膜热传感器、应变片、气敏传感器 第一节薄膜热传感器 传统的测温元件:熟电阻、热敏电阻、电偶 介绍两种:金属薄膜热电阻、多晶硅薄膜热 电阻

第八章 薄膜传感器 在基底材料上用物理或化学的方法制成敏 感材料薄层（几百nm~几µm）。 薄膜热传感器、应变片、气敏传感器。 第一节 薄膜热传感器 传统的测温元件：热电阻、热敏电阻、电偶 介绍两种：金属薄膜热电阻、多晶硅薄膜热 电阻

仝金属膜热电阻 用铂粉沉积在陶瓷基片上,厚度2um ●封装:SMD型和引线型。 表8-1薄膜热电阻与其他测温传感器的比较 传感器名称 优点 缺点 外形尺寸小,一致性好,热响应时间 薄膜热电阻 工作电流小,自热影响大 短,性能稳定 外形尺寸较小,一致性较好,热响应 厚膜铂电阻焊接性强,性能稳定,自热小 时间较短 线绕铂电阻可测量高温,可作为标准温度计 体积大,抗震性差,存在应力影响 热敏电阻温度系数大,价格低 测温范围小,非线性、离散性大 热电偶可测量高温 需要冷端补偿

一、金属膜热电阻 用铂粉沉积在陶瓷基片上，厚度2µm。 封装：SMD型和引线型

结构图如下: 敏感膜、 基片 引线 图8-1薄膜热电阻的结构 e RtRol1tat-bt2-ct3(t-100)](8-1) 意d三(RtR0)7(2tk0) (8-2)

结构图如下： Rt=R0[1+at-bt2 -ct3（t-100）] （8-1） α =（Rt-R0）/（△t·R0） （8-2）

标称电阻值有1009、5009、10009 表82系数a、b、c的取值 TCR/10-A T/C a 013908021-5.0959013802 3850 0390321569591071 03.8098931-60:1-38902 >03:809032-60501

标称电阻值有100Ω 、500Ω 、1000Ω

多晶硅薄膜热电阻 随着微系统(MEMS)技术的发展而产 生 ●特点:应`糸教大,高温特性好。 将信息的获得、处理和执行部分一体化 集成在同一硅衬底上,形成真正的系统。 ●电阻率高于单晶硅

二、多晶硅薄膜热电阻 随着微系统（MEMS）技术的发展而产 生。 特点：应变系数大，高温特性好。 将信息的获得、处理和执行部分一体化 集成在同一硅衬底上，形成真正的系统。 电阻率高于单晶硅

多晶硅薄膜热结晶结构示意图: 晶粒(L) 晶界 量粒中性区 晶迟 P-Si 区 图82多晶硅薄膜晶粒微结构示意图 L-2W ●电阻率:p= 人"x- pb

多晶硅薄膜热结晶结构示意图： L-2W 2W 电阻率：ρ =-----------ρg+---------ρb L L

第二节薄膜应变片 薄膜应变片简介 传统应变片:用金属丝粘贴或硅扩散(粘 贴)的办法制作。 特点:价格便宜、结构简草、使用方便, 但由于粘贴式工艺帶来敏感层与基片之 间的形变传递性能不好,影响了测量精 度

第二节 薄膜应变片 一、薄膜应变片简介 传统应变片：用金属丝粘贴或硅扩散（粘 贴）的办法制作。 特点：价格便宜、结构简单、使用方便， 但由于粘贴式工艺带来敏感层与基片之 间的形变传递性能不好，影响了测量精 度

薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法,消 除子传统应变片传递性不好的缺点。具 体优点如下: 1)稳定性好:蠕变和滞后低。 2)使用寿命长:承受105次以上的重复加 载 3)温度系数小 4)工作温度范围宽:多层结构可达(- 100~180℃)

薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法，消 除了传统应变片传递性不好的缺点。具 体优点如下： 1）稳定性好：蠕变和滞后低。 2）使用寿命长：承受106次以上的重复加 载。 3）温度系数小 4）工作温度范围宽：多层结构可达 （- 100~180℃）

6)量程大:多层结构可从002N~30N 7)成本低:制造工艺简单、成品率高。 薄膜应变片原理 层结构:基片-绝缘层-敏感层 例:MM结构:金属基片-绝絲层~金属敏感层 机理:压阻效应。 引线电极敏感层 金属氧化物 基片 图8-3薄膜传感器结构

6）量程大：多层结构可从0.02N~30N. 7) 成本低: 制造工艺简单、成品率高。 二、薄膜应变片原理 三层结构：基片-绝缘层-敏感层 例：MIM结构：金属基片-绝缘层-金属敏感层。 机理：压阻效应

设材料电阻率为p薄膜宽度w长度L厚t 薄膜电阻: REpL/wt (8-19) 经推导: dRR=dp/p=T0m+T⊥⊥(8-22) 薄膜材料的电阻率变化与横向和纵向应力 有关

设材料电阻率为ρ,薄膜宽度w,长度L,厚t 薄膜电阻: R=ρL/wt (8-19) 经推导: dR/R=dρ/ ρ=π//σ//+ π⊥σ⊥ (8-22) 薄膜材料的电阻率变化与横向和纵向应力 有关