【压阻式压力传感器信号噪声比改技术创新4000字】压阻压力传感器应用

压阻式压力传感器信号噪声比改技术创新4000字

压阻式压力传感器信号噪声比改技术创新4000字 Hooge的经验式的[1f]噪声模型与实验数据吻合,并推导出如下公式:
[V1f=Vbα(Nf)] 式中:[f,][N,][Vb]分别代表频率,电阻总的载流子数目,以及电阻两端 的偏置电压。参数[α]用来衡量晶格质量,并在10-3和10-7范围内变化。测量频 率降到4 μHz显示其噪声功率谱仍然与[1f]噪声吻合。

Harley和Kenny的实验表 示,具有不同表面体积比的电阻拥有相同的[1f]噪声特性,而[1f]噪声与电阻体 积成正比,这些实验结果与上述公式吻合。

3 SNR提高的方法 前面对噪声起源的定性分析,将针对各种噪声提出一些方法来降低噪声,从 而提高信噪比SNR。由于压力传感器中噪声的主要来源是电噪声,也即热噪声和 [1f]噪声,所以将主要分析如何降低电噪声。

根据上述热噪声和[1f]噪声的表达式,电噪声的降低措施主要包括改变压 阻条的几何参数(厚度,长度,拐点数等),改变掺杂浓度以及薄膜的形状(材 料晶向等)。

Bae通过考虑改变压阻条的几何形状及输入信号[2]来提高信噪比(SNR), 其中几何形状包括压阻条的长度[L]以及拐点数[n。]由上述的噪声公式知[V1f] 与压阻条总载流子数目[N]有关,也与电阻条阻值有关,而[Vj∝R,]也与电阻值 有关,Bae等人在针对几何形状的压阻条推导出信噪比:
[SNR=VnoiseVin=4kBTV2inρlwtl+αqfwtl1l] 前半部分为热噪声,SNR随着压阻条长度[l]增加而增加,后半部分是[1f] 噪声,SNR随着压阻条长度[l]增加而减小,因此两者趋势相反,需要折衷考虑求 最优解。

若考虑SNR最大化,则对应的参数[(n,l)=](10,2.7 mm),SNR=60,而 假若考虑输出信号摆幅最大化,则[(n,l)=](4,0.75 mm),对应的SNR=24, 前者SNR是后者的2.5倍。为了使SNR最大化,需要以牺牲输出摆幅为代价。C Pramanik等人研究了压力传感器SNR与压阻条长度[L,]厚度[d,]以及掺 杂浓度的关系[3],对应的图形如图3所示。由于[V1f∝1N,]即[1f]噪声与压阻 条总载流子数目[N]成反比。随着掺杂浓度的增加,则压阻条总载流子数增加, 对应的[V1f]降低,其SNR增加。同时SNR也随着长度[L]的增加而增加,增加幅度 较明显,而SNR也随着厚度[d]的增加而增加,增加幅度不是很明显。因此考虑SNR 最大化时主要考虑提高掺杂浓度和长度[l。] 图3 SNR与压阻条长度、厚度及掺杂浓度的关系 图4 修正的信噪比参数[η]与角度关系 4 结 语 通过对噪声起源分析,并通过文献搜索与阅读[5?6],汇集了一些有针对性 的降低噪声的方法,这也为将来设计高信噪比的压力传感器提供了参考。但是上 述的提高SNR方法中往往是以牺牲其他参数为代价的。例如提高掺杂浓度能够降 低噪声和温度系数,但是也降低了灵敏度;
而Bae 等人通过优化[n,][l]来提高 S 0 引 言 由于噪声的存在,限制了一些低压量程的压阻式压力传感器(如生物领域) 的使用,因为传感器中最小分辨率由器件的噪声水平决定,因此如何提高信噪比 (SNR)将是低压量程传感器很重要的一个参数。下面将介绍压阻式压力传感器 工作原理及噪声来源分析。

1 压阻式压力传感器简介 对半导体材料施加应力时,除产生变形外,同时也改变了其载流子的运动状 态,导致了材料的电阻率发生了变化,称之为半导体的压阻效应。压阻式压力传 感器就是基于上述的压阻效应组成的,由4个压阻条构成惠斯通全桥电路,如图1 (a)所示,其中沿着截面可以看到压阻条在边界受力最大,如图1(b)所示。图1 压力传感器示意图 等效的电路图如图2所示。在理想情况下,即没有施加压力,由于 [R1,][R2,][R3,][R4]制作工艺相同,4个电阻条的阻值是相同的,此时惠斯 通电桥的输出[Vout=0。]当有外界均布的压力[P]作用于膜片上面时,膜片发生 了变形,每个电阻都变化了[ΔR,]其中[R1]和[R3]增大,[R2]和[R4]减小, [Vout=-VCC?ΔRR,]因此通过输出电压[Vout]大小可判定施加在压力传感器的应 力[P]的大小。

图2 惠更斯全桥压力传感器的电路结构图 2 噪声来源 在MEMS系统中,噪声包括本征噪声和非本征噪声。非本征噪声主要来自于外 界环境的干扰,比如外界震动等。然而在这里主要讨论本征噪声,即来自于器件 本身的噪声,它往往限制MEMS传感器的一个方面。针对压力传感器,主要有机械 噪声和电噪声。而系统的机械噪声主要有Brownian噪声,起因主要是由于 Brownian力导致薄膜的机械波动。而电噪声源中主要有热噪声(也称Johnson噪 声)和[1f]噪声。与热噪声相比,Brownian噪声可以忽略。因此在这里主要讨论 电噪声,而电噪声也是限制了传感器的最小分辨率。

(1) 热噪声 热噪声普遍存在于器件当中,它是与器件绝对温度[T]的函数,在1 Hz带宽 内其热噪声有如下公式:
[Vj=4kTR] 其中[R]为压阻条的电阻值;
[k]为波尔兹曼常数。

(2) [1f]噪声 NR则是以牺牲输出摆幅为代价;
而在传感器表面增加很厚的保护凝胶来抑 制感应电荷的形成,由于凝胶弹性问题有可能引起严重的迟滞问题,即输出电压 跟随输入气压变化时的延迟时间增加。因此器件设计往往是一个折衷式设计,往 往需要考虑多个性能参数,来达到所需要的最优化方案。[1] HOOGE F N. 1/f noise sources [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1994, 41:
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