CN1040681A - 半导体压力变换装置 - Google Patents

Abstract

半导体压力变换装置，其中与硅片相连的固定盘由两个彼此叠加在一起的构件构成，第一固定盘的纵向弹性模量与半导体膜片的纵向弹性模量明显不同，第一固定盘具有高的绝缘性，它的线膨胀系数近似等于半导体膜片的线膨胀系数，另一方面，制成第二固定盘的材料的纵向弹性模量和线膨胀系数近似等于半导体膜片的纵向弹性模量和线膨胀系数。

Description

本发明涉及一种半导体压力变换装置，特别涉及一种能同时得到静压信号和压差信号的半导体压力变换装置。

JP-A-58-120142披露了这种能得到静压信号和压差信号的复合功能型半导体压力变换装置。该文件所披露的这种装置具有一组在硅片小厚度部分形成的对压力差敏感的半导体电阻，和一组在构成小厚度部分外圆周的大厚度部分形成的对静态压力敏感的半导体电阻，硅片由粘结胶固定在一个由玻璃制成的固定盘上。

测量压力差时，由于静压力均匀地作用在半导体压力变换装置上，所以用来检测在硅片小厚度部分形成的压力差的一组电阻上会产生极大的压缩应力。此外，由于静压力也作用在固定盘上，所以因硅片和固定盘之间形变差会在硅片上产生弯曲应力，它使静压力零点设定（相比大气压零点）发生误差。（一般将这种误差叫做静压影响。）因为这些误差在压差测量时会叠加到压差信号上，所以压差信号是一种含有误差的信号。由于这个缘故，检测静压力时可以在大厚度部分形成一组用来校正这种由静压所引起误差的半导体电阻。

静压信号的输出电平是压差信号输出电平的几十分之一，可见它很小。静压信号输出的原理是受静压力作用时固定盘所产生的应变和硅片所产生的应变之差，其基础是固定盘和硅片所用材质之差异。因此，为了得到高输出电平的静压信号，有必要使应变差尽可能地大。然而，如果这种应变差很大，那么在硅片和固定的结合部分所产生的应变差也会很大。这样做会使结合部分的受力出现问题，并降低了可用的容许静压（即静压力），也就是降低了静压强度。此外，由于应变差增大还必然对硅片的小厚度部分产生很大的影响，所以压差信号和静压信号之间的干扰会变大，从而难于得到高精度的、经高输出电平静压信号校正过的压差信号。

也就是说有这样一个问题，即如果试图提高静压信号，势必会降低静压力和加大静压信号与压差信号之间的干扰，从而难以得到高精度的经校正的压差信号。

本发明的目的在于提供一种半导体压力变换装置，它能输出高电平的静压信号而不降低静压力，也不增加静压信号和压差信号之间的干扰。

以上目的可以通过形成这样一种固定盘来实现，它和硅片相连，并由两个彼此相叠且由不同材料制成的构件构成，其中在硅片上面的第一个固定盘的材料具有明显不同于硅片的纵向弹性模量，而它的高绝缘性能和线膨胀系数近似等于硅片的绝缘性能和线膨胀系数;与硅片间隔一段距离的第二固定盘由另一种材料制成，这种材料的纵向弹性模量和线膨胀系数近似等于硅片的纵向弹性模量和线膨胀系数。

第一固定盘的变形量（当受到静压作用时）与具有一组压差电阻和一组静压电阻的硅片的变形量相比，按本发明结构，第一固定盘的纵向弹性模量应小于硅片的纵向弹性模量，因此第一固定盘的应变量（压缩量）大于硅片的应变量。这样，第一固定盘就可测出与硅片结合的界面上的大应变差，这个应变差的作用就象一个分别作用在硅片具有一组静压电阻和一组压差电阻的大厚度部分和小厚度部分的上表面的弯曲应力。这个应变差还会进一步影响硅片和第一固定盘的结合力，而该弯曲应力会影响该组静压电阻和该组压差电阻的输出。由第二固定盘抑止应变差的产生，从而减小应变差。这样做就会提高静压力，进而可能减少弯曲应力对一组压差信号的影响并减少静压信号和压差信号之间的干扰量。

另一方面，降低应变差和弯曲应力初看起来似乎会产生这样一个问题，即可能会降低静压信号的输出。然而，因为弯曲应力的分布是不均匀的，所以有可能通过把一组静压电阻安排在可得到最大弯曲应力差的位置上来提高静压信号的输出电平。可得到最高静压信号输出电平的一组静压电阻的位置将由形成一组静压电阻的大厚度部分的长度和第一固定盘的厚度来确定。

图1为本发明半导体压力变换装置一个实施例的剖面图;

图2为一组电阻在图1所示半导体压力变换装置中硅片上的布置平面图;

图3为从图2所示硅片上一组电阻中取出压力信号的电路图;

图4为现有技术半导体压力变换装置结构简图;

图5为本发明半导体压力变换装置一个实施例的结构简图;

图6A所示为现有技术硅片上小厚度部分所引起的应力分布;

图6B所示为本发明实施例硅片上小厚度部分所引起的应力分布;

图7所示为本发明实施例硅片上所引起的应力分布;

图8A所示为本发明实施例的半导体压力变换装置中硅片上大厚度部分厚度和压力信号之间的关系;

图8B所示为本发明实施例的半导体压力变换装置中第一固定盘厚度与压力信号之间的关系;

图8C所示为本发明实施例的半导体压力变换装置中第2固定盘与第一固定盘直径之比和压力信号之间的关系;

图9所示为处理本发明半导体变换装置检测信号的流程实施例;

图10为本发明另一个实施例的半导体变换装置的结构简图。

下面将参考附图对本发明实施例进行说明。

图1中标号1为一薄圆硅片，其晶面为（110）。硅片主体由小厚度部分11，中心刚性部分13和大厚度部分12构成。小厚度部分11上有一组通过扩散方式形成的电阻111～114。另一方面，大厚度部分（参看图2）上也设置了一组类似的电阻121～124。用阳极键合方式（anode    bonding）将硅片1与一组电阻所在表面相对的表面固定在第一固定盘2上。第一固定盘2由硼硅酸（耐热）玻璃（pyrex    glass）等材料制成，这种玻璃具有与硅片1相同的线膨胀系数和极小的线弹性模量，第一固定盘2中心有一孔21，用来引入压力P，其另一表面与第二固定盘3用阳极键合方式固定。第二固定盘3由铁-镍材料等制成，与第一固定盘2相似，它也具有与硅片1相同的线膨胀系数，但它纵向的弹性模量与硅片的相等。与第一固定盘2相似，第二固定盘3的中心也有一孔31用来引入压力P。第二固定盘3的另一表面30的外缘被焊接固定在圆筒体4上。筒体4有一厚膜板5与硅片1电连接，焊接线15将硅片1上的导线焊接区14与厚膜板5上的焊接区相连。筒体4上还设置有气密封接部分41和接线柱42，通过这些接线柱42，可将硅片1上的电信号向外传送。

图2为图1所示硅片的平面图。4个电阻111～114沿径向（其晶向为（111））设置在小厚度部分上。这组电阻111～114（即一组压差电阻）的阻值按压电阻抗效应变化，它与作用在小厚度部分11两个表面上的压力差（P_H-P_L）成正比。例如在图1中，如果P_H＞P_L，因为电阻组112和114受拉伸应变，所以它们的电阻值变化为正。相反，因为压差电阻组111和113受压缩应变，所以它们的电阻值变化为负。将这几组电阻连接成如图3所示的桥式电路1a，以便取出由压力差所测定的电信号，它可由输出接线柱1a₁和1a₂送出。

即使压力差为0（P_H＝P_L），因为这组电阻111～114受硅片1和第一固定盘2之间的纵向弹性模量所产生的应变影响，所以它们的电阻值也会变化，其变化量正比于静态压力（P_H＝P_L），一般情况称其为静压影响。在压差测量时，此变化量也被叠加在压差输出上。由于这个缘故，为了排除叠加的误差信号以得到高准确度的压差信号，有必要采取某种利用静态压力信号的校正措施。这种静态压力信号可以借助装在大厚度部分12上的一组电阻（一组静压电阻）121～124来检测，与取出压差信号相似，可借助如图3所示的桥式电路1b取出。用压差信号减去这种被静态压力信号所叠加的叠加成分，可获得精确的压差信号。也就是说，用△P′表示来自硅片的压差信号（静态压力信号叠加在这个信号之上）;用△P表示精确的压差信号;用Ps表示静态压力信号，可得到下列等式：

△P＝△P′-△Ps

如上所述，为了得到校正用的精确的静态压力，有必要增加静态压力信号的输出。然而，增加静态压力信号也会给小厚度部分11造成影响，使它的特性曲线和可靠性变坏。这是因为静态压力信号利用的是大厚度部分12的弯曲应力，这个弯曲应力由第一固定盘2和硅片1之间在受静压力作用下产生不同变形量所致，它会影响小厚度部分11的弯曲应力。

为了解决这些矛盾，按本发明设置了第二固定盘3，以便使弯曲应力尽可能地难以传到硅片1的小厚度部分11。

图4所示为现有技术半导体压力变换装置的结构简图。图中虚线部分表示受静压力作用时的变形状态。图5所示为本发明半导体压力变换装置的结构简图，它上面加了第二固定盘3。

当静压力P作用在如图4和图5所示的半导体压力变换装置上时，硅片的小厚度部分11上所产生的应力分布分别如图6A和图6B所示。在图6A和6B中，δ_r表示径向应力;δ_t表示圆周方向（peripheral direcfion）的应力，而δ_z表示轴向应力。在图4所示现有技术结构中，由于硅片1和第一固定盘2之间纵向弹性模量不同，所以受静压力作用时，第一固定盘2会发生明显的收缩。这种收缩量会传到小厚度部分11上去，如图6A的应力分布所示。因为现有技术结构与本发明结构不同，它没有第二固定盘3，所以由固定盘2收缩量产生的应变会传到硅片1上去，压差电阻组111～112会受到过量的应力。结果不仅使零点设定发生误差，而且使电阻变化的线性变坏。另外，因为固定盘2的下表面几乎是自由表面，所以在硅片1和固定盘2上表面之间会出现较大的界面应力（图中未示出），它使可用的容许静压力降低。

为此，按本发明通过用第二固定盘3来抑制第一固定盘2的收缩量，有可能减少小厚度部分11和第一固定盘2之间界面上所产生的应力，与此同时还可减少作用在压差电阻组111～114上的应力，如图6B所示。

相反，如果抑制量太大，小厚度部分11和大厚度部分12中的应力分量就几乎恒定不变（如图7中（a）所示），而压差信号与静压信号会彼此干扰。但这样做并不能得到高输出电平的静压信号，因为没有干扰在另一方面就意味着大厚度部分的应力分量没有变化。

为了得到高输出电平的静压信号，并使静压信号和压差信号彼此不发生干扰，可以设计这样一种装置，使它大厚度部分12尽可能不产生弯曲应力，若产生了也尽可能难以传到小厚度部分11上去，如图7（b）所示。这种结构是由硅片1、第一固定盘2和第二固定盘各自的材质和特性所确定的，这一点后面要加以说明。图7中r_αin表示小厚度部分的内半径，r_αout表示小厚度部分的外半径（大厚度部分的内半径），r_out表示大厚度部分的外半径，r_e表示r_out和r_αout之差。

图8A～8C给出了压差电阻组和静压电阻组输出的三个实施例，其中各参数（厚度尺寸）均可变化。例如，减少硅片1大厚度部分的厚度T₁（只改变T₁而其它条件不变）可使静压电阻组输出增加（从而可得到高输出电平，但另一方面，压差电阻组的输出变化也增大而且干扰也变大，如图8A所示。仅改变T₂而其它条件不变时，图8B中的压差输出变化比图8A所示变化要小。同样，从图8C中（仅中改变d₃/d₁而其它条件不变）可以看出，与图8A所述情况相似，压差电阻组的输出变化也很可观。

综上所述，为了获得如图7（b）所示的应力分布，即为了使所得静压信号有较高的输出电平，并使静压信号和压差信号之间不发生干扰，充分的条件是从原则上明确地限定硅片1的厚度T₁、第一固定盘2的厚度T₂，以及第二固定盘3的外径2d₃与第一固定盘2的外径2d₁之比d₃/d₁，并确定设置在硅片1大厚度部分12上的静压电阻组的位置r_g（参见图5）。也就是说，如图8A～8C所示，为了得到高输出电平的静压信号，而静压信号和压差信号之间不发生干扰，有必要减小硅片1的厚度T₁（相对第一固定盘2的厚度T₂而言），并把第一固定盘2的收缩量传到硅片1的大厚度部分12上。此外还有必要把静压电阻组121～124设置在弯曲应力差较大的地方。

下面可推出一些表示这些关系的公式。如图5所示，E₁表示硅片1的纵向弹性模量;T₁表示大厚度部分12的厚度;re表示大厚度部分12的径向长度;rg表示静压电阻组的位置（从小厚度部分的外圆周算起）;E₂表示第一固定盘2的纵向弹性模量;T₂表示第一固定盘2的厚度，2d₁表示它的外径;2d₃表示第二固定盘3的外径;P表示作用力;函数f表示增加了第二固定盘3后硅片所产生的位移f（矢量）与上述这些变量之间的关系。当施加压力P时，基于第一固定盘2与硅片1的大厚度部分12的连续性可得到下式：

f(T_1′T_2′E_1′E_2′r_l′(d_l-d₃))

= (P)/(E₁T₁ ³) (9T₂ ²·r_l ²+4.5r_l ⁴-6T₂ ³·r_l)

-0.6 (T₂ ⁴)/(E₂·（d_l-d₃)³)

通过设定参数的方法可推出使函数取最小值的设计条件。当重新整理这些设计条件时，可得到下面这个等式（请注意T₁和T₂之间的关系）：

$T_1=\mathrm{\α}\·\sqrt[3]{\left(\frac{E_2}{E_1}\right)\·\frac{r_l}{{T_2}^2}(\mathrm{\β}\·r_l-1){(d_1-d_3)}^3}\·\·\·\left(1\right)$

其中α和β分别为第一固定盘2和硅片1的材料常数，可按泊松比和形状来测定。利用等式（1）可确定各部分的形状，由此可取出压力信号而不发生压差信号和静压信号之间的干扰。

此外，为了提高静压信号的输出电平，有必要得到硅片1大厚度部分12应力最大的位置。若用M_x′表示由上面所说位移产生的弯矩分布，则有

M_x′＝f（P，r_l，T₂，d₁）

重新整理这些公式，可得到下面这个等式：

M_X= (P·d_l)/(2r_l) (-3x³+2·r_l·x²+T₂ ²x)

+p·d₁·T₂ ²+p· (r_l ²)/2 ·d_l

其中X表示从大厚度部分12的圆周算起的距离。由下式可得到应力最大的位置r_g：

$r_g=\frac{1}{3}{r}_l+\sqrt{{\mathrm{\xi r}}_l{}^2{\mathrm{+\; \eta T}}_2{}^2}\mathrm{\dots (2)}$

其中ξ和η为常数，可由形状确定。

由等式（2）可以看出，静压电阻组的位置r_g几乎可以由硅片1大厚度部分的长度r_l和第一固定盘2的厚度T₂来确定。这一位置上弯曲应力差最大。

利用等式（1）和（2）可得到各部分尺寸，下面所列为一具体实施例。

材料名称    E    V

硅片1 Si 17000kgf/mm²0.3

第一固定盘2：硼硅酸（耐热）玻璃 7000kgf/mm²0.25

第二固定盘3：Fe-Ni 16000kgf/mm²0.3

对于等式（1）：T₂＝4.0mm，d₁＝7.0mm，d₃＝3.5mm，

r＝2.0mm，T₁＝0.82mm（α＝0.5，β＝1.5）

r＝1.4mm（ξ＝0.10，μ＝0.01）

对于等式（2）：T₂＝3.0mm，d₁＝7.0mm，d₃＝5.0mm，

r_l＝2.0mm，T₁＝0.57mm（α＝0.5，

β＝1.5）

r_g＝1.3mm（ξ＝0.10，μ＝0.01）

图7（b）所示曲线为设有静压电阻组和压差电阻组的硅片1表面的应力分布，它可用上述数量解析方法获得，其中所用传感器为复合功能型压差传感器。按此方法，可进一步证实，可以在不损害小厚度部分应力分布（结果使应力分布不象图6A所示）并不影响静压电阻组输出的情况下，得到静压电阻组的输出。

图9为按本发明半导体压力变换装置检测信号流程的实施例。当硅片1的前表面和后表面受到压力P+△P和P的作用时，小厚度部分形成的压差电阻组的电阻值会发生变化，并在图3所示的接线柱1a₁和1a₂之间产生正比于压力差△P的电信号。这个电信号通过气密封接部分41中的接线柱42和引线6a，进入AD转换器60。与此同时可用在硅片1大厚度部分12上形成的静压电阻组121～124来检测静态压力，因为这组电阻会在接线柱1b₁和1b₂之间（图3）产生静态压力信号。与压差信号相似，这个电信号也被输入A-D转换器60。A-D转换器将这个电信号数字化并把它传给执行预定操作的CPU61，CPU61传输压差信号（这个信号仅仅精确地与压力差△P成正比，它已经排除了静压影响），也向外输送静压信号。标号62表示存储器，它存储CPU61执行操作所必需的数据和操作程序。压差信号或静压信号将在显示装置63上得到显示，并经过D-A转换器64变换成模拟信号后再被送出。

按本发明的上述实施例：

（1）可以得到具有高输出电平的静压信号;

（2）通过提高静压输出电平，可以得到高精度的压差信号，对此可完全校正由静压导致的误差;

（3）可以仅仅取出正比于静压P的信号，并取出直至高压区的静压信号。

虽然在本实施例中，静压电阻组和压差电阻组都形成在硅片的（110）面和（111）方向上，但晶轴和晶面是可任选的。例如，当用（110）面基片时，可以在（110）方向上安排静压电阻组。

此外，虽然在本实施例中，硅片的小厚度部分呈中心刚性形体，但即使均匀的小厚度部分不呈中心刚性形体，其效果也同样。

还有一点，虽然在本实施例中，片子是由硅制成的，但它也可以由诸如砷化镓等其它半导体制成。

而且，即使用的是硅片，且在形成静压电阻组121～124的大厚度部分和形成压差电阻组111～114的小厚度部分之间设置无干扰梁构件130，效果也没有变化。在这种情况下，（比较上述实施例），因为无干扰梁构件130可以完全将静压电阻组和压差电阻组的干扰位置隔开，所以可得到高输出电平的静压信号而不干扰压差信号。

正如上面详述的那样，借助按本发明的半导体压力变换装置，因为它可取出高输出电平的静压信号而不干扰压差信号，所以能得到下面的显著效果：可以同时高精度地完成压力差测量和静压力测量，测量过程中还能提高效率并节约劳力。

Claims (7)

1、半导体压力变换装置，它有

一个半导体(膜)片，该(膜)片包括一个小厚度部分和在其圆周边设置的一个大厚度部分；

在所说的小厚度部分形成的一组压差检测电阻；

在所说的大厚度部分形成的一组静压检测电阻；

一个与所说大厚度部分上形成静压检测电阻的表面相对的表面相连结的第一固定盘，该固定盘的纵向弹性模量与所说半导体膜片的纵向弹性模量明显不同，所说第一固定盘具有高的绝缘性，它的线膨胀系数大约等于所说半导体(膜)片的线膨胀系数；

其特征在于，还有一个与所说第一固定盘的与大厚度部分相连的表面相对的表面相连的第二固定盘，所说第二固定盘的纵向弹性模量和线膨胀系数近似等于所说半导体(膜)片的纵向弹性模量和线膨胀系数。

2、按权利要求1的半导体压力变换装置，其特征在于，所说半导体（膜）片由硅制成。

3、按权利要求1的半导体压力变换装置，其特征在于，所说第一固定盘与所说第二固定盘为圆柱形且彼此同心。

4、按权利要求3的半导体压力变换装置，其特征在于，所说大厚度部分的轴向厚度由所说第一固定盘的轴向厚度、所说第一固定盘的纵向弹性模量与所说半导体膜片的纵向弹性模量之比、所说第二固定盘的外径与所说第一固定盘的外径之比以及所说大厚度部分的径向厚度来确定。

5、按权利要求3的半导体压力变换装置，其特征在于，所说那组静压检测电阻位于受静压力作用时所说大厚度部分径向弯曲应力和圆周边弯曲应力之差最大的地方。

6、按权利要求3的半导体压力变换装置，其特征在于，所说那组静压检测电阻所在位置与所说大厚度部分的内圆周表面之间的距离，由所说第一固定盘的轴向厚度以及所说大厚度部分的径向厚度来确定。

7、按权利要求1的半导体压力变换装置，其特征在于，所说第一固定盘的纵向弹性模量小于所说半导体（膜）片的纵向弹性模量。

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