關(guān)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(guān)系式。關(guān)鍵詞：力敏電阻非線性、零點電漂移、反向漏電流引言： 用半導(dǎo)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(yīng)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(guān)。故電阻條的有效導(dǎo)電厚度隨外加電壓而變化，表現(xiàn)為非線性。并直接導(dǎo)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眾所周知的幾個之外，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，在國際上這是我們**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。國際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(guān)，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眾所周知的量程范圍、精度、非線性誤差、遲滯、穩(wěn)定性、重復(fù)性、靈敏度、零點及二者的熱漂移、動態(tài)響應(yīng)特性、噪聲等指標外，在國際上我們首先發(fā)現(xiàn)并提出零點電漂移也應(yīng)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(dǎo)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(guān)，因為力敏電阻條的有效導(dǎo)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(guān)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= ynxkτg?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(dǎo)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(dǎo)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(guān)，而非線性在50oC以下起因于有效導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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?/span> 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(guān)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(yīng)考慮對零點熱漂移的影響，需作這一補充。省去推導(dǎo)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(guān)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?/span>Boukabach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，即使是國外有名公司的傳感器，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(guān)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(shù)，吸除硅片中的金屬雜質(zhì)