CN104870960B - 包括基板的传感器 - Google Patents

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Abstract

在此披露了一种传感器(1)，该传感器包括n掺杂/p掺杂基板(2)和安排在基板(2)上的惠斯通电桥(3)。场屏蔽(4)被安排在基板(2)上，其方式为场屏蔽(4)覆盖惠斯通电桥(3)。将准直流电压供应到惠斯通电桥(3)上，并且将直流电压供应到基板(2)上，所述直流电压的电平高于/低于或等于供应到惠斯通电桥(3)上的准直流电压。可以将电压供应到场屏蔽(4)上，所述电压的电平高于/低于或等于供应到惠斯通电桥(3)上的准直流电压。

Description

包括基板的传感器
发明领域
本发明涉及一种传感器(如压力传感器)，该传感器包括基板，该基板上安排有多个测量电子器件，这些测量电子器件包括惠斯通电桥。
发明背景
基于压阻式MEMS传感器芯片的传感器(如压力传送器)是已知的。例如，US6,933,582披露了一种半导体传感器，该半导体传感器包括：p型半导体基板，该p型半导体基板具有安置在该基板的一个表面上的n型半导体层以及安置在该n型半导体层中的p型扩散电阻器。第一电压被施加到n型半导体层上，第二电压被施加到基板上，第三电压被施加到p型扩散电阻器上。该第一电压高于该第二和第三电压。因为形成了两个耗尽层，所以传感器确保稳定操作免遭漏电并且确保强噪声保护。
US5,681,997披露了一种多晶压力传感器，该多晶压力传感器是通过将多个多晶硅压敏电阻器沉积在多晶感测膜片上而形成。压敏电阻器以惠斯通电桥构形进行安排。在操作过程中，交流差分信号被施加到惠斯通电桥的输入端上。惠斯通电桥的输出端子之间的测量电压差用于检测电压敏电阻器中的不均衡，该不均衡与施加到传感器上的压力相对应。
发明描述
本发明的实施例的目标是提供一种以比现有技术传感器更可靠的方式操作的传感器。
本发明的实施例的进一步的目标是提供一种相对于现有技术传感器电磁干扰(EMI)效应被降低的传感器。
本发明的实施例的更进一步的目标是提供一种与现有技术传感器相比随着时间推移在高温下具有增加的稳定性的传感器。
根据第一方面，本发明提供了一种传感器，该传感器包括：
-一个n掺杂基板，
-多个测量电子器件，这些测量电子器件至少部分地被安排在该基板上，所述测量电子器件包括一个惠斯通电桥，
-一个场屏蔽，该场屏蔽被安排在该基板上，其方式为该场屏蔽覆盖该惠斯通电桥，
-一个电源，该电源被安排成用于将电压供应到该基板和这些测量电子器件上，其方式为：
-将一个准直流电压供应到该惠斯通电桥上，并且
-将一个直流电压供应到该基板上，所述直流电压的电平高于或等于所述供应到该惠斯通电桥上的准直流电压。
根据第二方面，本发明提供了一种传感器，该传感器包括：
-一个p掺杂基板，
-多个测量电子器件，这些测量电子器件至少部分地被安排在该基板上，所述测量电子器件包括一个惠斯通电桥，
-一个场屏蔽，该场屏蔽被安排在基板上，其方式为该场屏蔽覆盖该惠斯通电桥，
-一个电源，该电源被安排成用于将电压供应到该基板和这些测量电子器件上，其方式为：
-将一个准直流电压供应到该惠斯通电桥上，并且
-将一个直流电压供应到该基板上，所述直流电压的电平低于或等于所述供应到该惠斯通电桥上的准直流电压。
该传感器包括基板。根据本发明的第一方面，该基板是n掺杂基板；并且根据本发明的第二方面，该基板是p掺杂基板。该基板可以例如由半导体材料制成，如硅、锗、砷化镓、碳化硅等。
该传感器进一步包括多个测量电子器件，这些测量电子器件至少部分安排在该基板上。因此，所有测量电子器件可以被安排在该基板上。替代地，这些测量电子器件的某些零件或部件可以被安排在基板上，而这些测量电子器件的其他零件或部件可以被安排在传感器的其他部分上，和/或被安排在传感器的外部并且简单地连接到测量电子器件的安排在基板上的零件或部件上。
这些测量电子器件包括惠斯通电桥。该惠斯通电桥优选地被安排在基板上。该惠斯通电桥提供由传感器执行的实际测量。这将在以下进一步详细描述。
该传感器进一步包括一个场屏蔽，该场屏蔽被安排在基板上，其方式为该场屏蔽覆盖该惠斯通电桥。由此，场屏蔽为惠斯通电桥提供屏蔽以免受外部电磁场影响，这些外部电磁场可能潜在地干扰借助惠斯通电桥执行的测量。场屏蔽优选地由如铝等金属制成。
最后，该传感器包括一个电源，该电源被安排成用于将电压供应到该基板和这些测量电子器件上，具体地供应到惠斯通电桥上。
该电源将准直流电压供应到惠斯通电桥上。在本上下文中，术语‘准直流电压’应当被解释成是指电压信号，该电压信号在高电压电平和低电压电平之间交替地切换，其方式为当将低电压电平供应到惠斯通电桥的一个节点上时，将高电压电平供应到惠斯通电桥的另一个节点上，并且反之亦然。以特定的时间间隔，反转电压电平，这样使得供应到一个节点上的电压电平从高电平切换至低电平，而供应到另一节点上的电压电平从低电平切换至高电平等。
此外，电源将直流电压供应到基板上。在传感器是根据本发明的第一方面的传感器的情况下，即，在基板是n掺杂基板的情况下，供应到基板上的直流电压的电平高于或等于供应到惠斯通电桥上的准直流电压。类似地，在传感器是根据本发明的第二方面的传感器的情况下，即，在基板是p掺杂基板的情况下，供应到基板上的直流电压的电平低于或等于供应到惠斯通电桥上的准直流电压。由此，确保了供应到基板上的电压与供应到惠斯通电桥上的电压之间存在电压差，至少在由准直流电压所限定的时期的一部分内。这具有以下结果：与在任何时间供应到惠斯通电桥上的电压等于供应到基板上的电压的情形相比，电子泄漏以及惠斯通电桥的四个节点与传感器的外壳或机壳之间的电容减少。耗尽层的厚度随着电压而增加，从而使电容最小化。最小化感测元件与传感器的外壳或者机壳之间的电容耦合将使传感器的电磁干扰(EMI)效应最小化，由此提高EMC共模性能。此外，传感器以非常可靠的方式操作。这是因为传感器的温度稳定性通过使由自由离子的直流电压引起的扩散最小化而得到提高，从而使压敏电阻特性的变化最小化。
电源可以进一步被安排成用于将电压供应到场屏蔽上。在传感器是根据本发明的第一方面的传感器的情况下，即，在基板是n掺杂基板的情况下，供应到场屏蔽上的电压的电平高于或等于供应到惠斯通电桥上的准直流电压。类似地，在传感器是根据本发明的第二方面的传感器的情况下，即，在基板是p掺杂基板的情况下，供应到场屏蔽上的电压的电平低于或等于供应到惠斯通电桥上的准直流电压。因此，根据本实施例，供应到场屏蔽上的电压和或者供应到惠斯通电桥上的电压或者供应到基板上的电压之间存在电压差。由此，传感器与外部电场高效地屏蔽开，并且传感器以非常可靠的方式操作。
供应到基板上的直流电压的电平可以等于供应到场屏蔽上的电压的电平。这可以例如通过在场屏蔽和基板之间提供直接电连接来获得。根据本实施例，供应到场屏蔽上的电压是直流电压。
作为替代方案，供应到场屏蔽上的电压可以跟随着供应到惠斯通电桥上的准直流电压。这可以例如通过在场屏蔽和惠斯通电桥之间提供直接电连接来获得。根据本实施例，供应到场屏蔽上的电压是准直流电压。
供应到基板上的直流电压电平与供应到惠斯通电桥上的准直流电压之间的差值可以至少为0.5V，如至少1.0V，如至少3.0V，如至少5.0V，如至少7.0V，如至少10.0V。这是优势，因为电压电平之间的大的差值使惠斯通电桥的四个节点与传感器的外壳或机壳之间的电容最小化。然而，由于供应到惠斯通电桥上的准直流电压使得电子泄漏和扩散最小化，在将直流电压供应到惠斯通电桥上和供应到基板上的情况下，电子泄漏和扩散在大的电压差下将是个问题。
测量电子器件可以进一步包括一个或多个电阻器，每个电阻器电连接在电源与惠斯通电桥的激励节点之间。由电阻器所提供的电压降在反方向上偏压惠斯通电桥的二极管。在传感器是根据本发明的第一方面的传感器的情况下，即，在基板是n掺杂基板的情况下，这降低了电源所供应的电压电平，并且由此，与由电源所提供的原始直流电压电平相比，供应到惠斯通电桥上(并且还供应到基板上)的准直流电压电平降低。类似地，在传感器是根据本发明的第二方面的传感器的情况下，即，在基板是p掺杂基板的情况下，这增加了电源所供应的电压电平，并且由此，与电源所提供的原始直流电压电平相比，供应到惠斯通电桥上(并且还供应到基板上)的准直流电压电平增加。因此，根据本实施例，在由供应到惠斯通电桥上的准直流电压所限定的整个时期内，在基板与惠斯通电桥之间存在电压电平差。
在传感器是根据本发明的第一方面的传感器的情况下，即，在基板是n掺杂基板的情况下，惠斯通电桥可以由在基板内实现的p掺杂电阻器形成。类似地，在传感器是根据本发明的第二方面的传感器的情况下，即，在基板是p掺杂基板的情况下，惠斯通电桥可以由在基板内实现的n掺杂电阻器形成。根据本实施例，惠斯通电桥直接形成到基板中。
传感器可以是压阻式MEMS传感器芯片。
测量电子器件可进一步包括开关装置，所述开关装置被安排成用于生成准直流电压信号并且将所生成的准直流电压信号供应到惠斯通电桥上。根据本实施例，该电源是直流电源，并且该开关装置确保了供应到惠斯通电桥上的电压是准直流电压。
传感器可以是压力传感器。作为替代方案，该传感器可以是温度传感器、应变仪、应力仪或任何其他适当类型的传感器。
附图简要说明
现在将参照附图更加详细地描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的传感器的示意图，
图2是根据本发明的第二实施例的传感器的示意图，
图3展示了供应到图1的传感器上的电压，并且
图4是根据本发明的实施例的传感器的横截面视图。
附图详细说明
图1是根据本发明的第一实施例的传感器1的示意图。传感器1包括n掺杂基板2。应当注意的是，尽管图1所展示的基板2是n掺杂基板，但是在本发明的范围内基板2可以是p掺杂基板。在这种情况，所展示的二极管的阳极阴极应当被颠倒。惠斯通电桥3被安排在基板2上，例如，以以下将参照图4描述的方式直接形成在基板2中。
场屏蔽4被安排在基板2上，其方式是该场屏蔽覆盖惠斯通电桥3。由此，场屏蔽4将惠斯通电桥3与外部电场屏蔽开。
电源被安排成用于以直流电压的形式将第一电压电平V1供应到基板2和场屏蔽4上。此外，电源以第一准直流电压的形式将第二电压电平V2供应到惠斯通电桥3的第一节点5上，并且以第二准直流电压的形式将第三电压电平V3供应到惠斯通电桥3的第二节点6上。相应地，电压V2和V3两者均在高电平与低电平之间交替，其方式为电压在高电平下最初保持基本恒定，然后突然切换至低电平并且在突然切换回高电平之前在低电平下保持基本恒定等。因此，准直流电压V2和V3中的每个准直流电压限定一段时期，例如，是从电压切换至高电平直到电压再一次被切换至高电平经过的时间。此外，当将高电压电平供应到第一节点5上时，将低电压电平供应到第二节点6上，并且反之亦然。
存在以下优势：因为这使离子扩散最小化，所以准直流电压V2和V3被供应到惠斯通电桥3的节点5、6上，离子扩散会污染惠斯通电桥3的电阻器。由此，可以改善传感器1的性能。
在基板2是n掺杂基板的情况下，选择准直流电压V2和V3，其方式为在准直流电压期间的任何时间，直流电压V1高于或等于准直流电压V2和V3。因此，在准直流电压处于高电压电平的时期的那一部分期间，准直流电压V2和V3可以等于直流电压V1。然而，在该时期的剩余部分内，即，当准直流电压处于低电压电平时，供应到基板2和场屏蔽4上的直流电压V1将高于准直流电压V2和V3。直流电压V1甚至可以在准直流电压的整个期间内高于准直流电压V2和V3。
类似地，在基板2是p掺杂的基板的情况下，选择准直流电压V2和V3，其方式为在准直流电压的时期中的任何时间，直流电压V1低于或等于准直流电压V2和V3。因此，类似于以上所描述的，在由准直流电压限定的时期的至少一部分内，直流电压V1低于准直流电压V2和V3。
相应地，不管基板2是n掺杂基板还是p掺杂基板，一方面供应到基板2和场屏蔽4上的电压电平与另一方面供应到惠斯通电桥3的第一节点5和第二节点6上的电压电平之间至少在由准直流电压限定的时期的一部分内存在电压差。这确保了使惠斯通电桥3的四个节点与传感器1的外壳或机壳18之间的电容最小化，并且由此减少了电磁干扰效应。
图1的传感器1可以用以下方式操作。测量电子器件连接到惠斯通电桥3的节点7和8上。电压被供应到基板2、场屏蔽4和惠斯通电桥3的第一节点5和第二节点6上，如上所述。有待测量的量的变化(如压力、应变、应力、温度等)引起惠斯通电桥3的电阻器的电阻变化。这将进而引起节点7和节点8之间的电压差变化。测量电子器件检测此电压差变化，并且该电压差变化用于导出所测量的量的变化。通过适当校准传感器1，可以导出所测量的量的绝对值。
图2是根据本发明的第二实施例的传感器1的示意图。图2的传感器1与图1的传感器1非常类似，并且因此这里将不对其进行详细描述。
图2的传感器1包括开关装置9，该开关装置包括四个开关开关10、11、12、13，它们可以交替地打开和闭合。在图2中，示出所有的四个开关10、11、12、13处于打开位置上。开关装置9电连接在直流电源14与惠斯通电桥3之间。直流电源14还电连接至基板2和场屏蔽4上，其方式是由电源14供应的直流电压电平是供应到基板2和场屏蔽4上的直流电压电平。
在闭合开关10和开关13并且打开开关11和开关12时，高电压电平被供应到惠斯通电桥3的第一节点5上，并且低电压电平被供应到惠斯通电桥3的第二节点6上。类似地，在打开开关10和开关13并且闭合开关11和开关12时，低电压电平被供应到惠斯通电桥3的第一节点5上，并且高电压电平被供应到惠斯通电桥3的第二节点6上。因此，通过以适当的方式切换开关装置9的开关10、11、12、13，图1中所展示的准直流电压可以被供应到惠斯通电桥3上。
第一偏压电阻器15被安排在开关装置9与惠斯通电桥3的第一节点5之间，并且第二偏压电阻器16被安排在开关装置9与惠斯通电桥3的第二节点6之间。偏压电阻器15、16降低由直流电源14所供应的电压电平。由此，甚至供应到惠斯通电桥3的第一节点5和第二节点6上的准直流电压的高电压电平都低于供应到基板2和场屏蔽4上的直流电压电平。
图3展示了根据时间变化的供应到图1的传感器1的基板2、场屏蔽4以及惠斯通电桥3的电压电平V1、V2和V3。图3展示了基板2是n掺杂基板的情况。
从图3中清楚的是，供应到基板2和场屏蔽4上的直流电压V1一直高于分别供应到惠斯通电桥3的第一节点5和第二节点6上的准直流电压V2和V3。还可以看到的是，当供应到惠斯通电桥3的第一节点5上的准直流电压V2处于高电平时，供应到惠斯通电桥3的第二节点6上的准直流电压V3处于低电平，并且反之亦然。
图4是根据本发明的实施例的传感器1的横截面视图。传感器1包括n掺杂基板2，p掺杂材料的电阻器17形成到该n掺杂基板中。电阻器17形成惠斯通电桥，并且因此，传感器1可以是例如图1中所示的类型或图2中所示的类型。
场屏蔽4被安排在基板2上，其方式为该场屏蔽覆盖电阻器17。
电压可以用上文描述的方式供应到基板2、场屏蔽4以及电阻器17上。

Claims (14)

1.一种传感器(1)，包括：
-一个n掺杂基板(2)，
-多个测量电子器件，这些测量电子器件至少部分地安排在该基板(2)上，所述测量电子器件包括一个惠斯通电桥(3)，
-一个场屏蔽(4)，该场屏蔽被安排在该基板(2)上，其方式为该场屏蔽(4)覆盖该惠斯通电桥(3)，
-一个电源，该电源被安排成用于将电压供应到该基板(2)和这些测量电子器件上，其方式为：
-将一个准直流电压供应到该惠斯通电桥(3)上，并且
-将一个直流电压供应到该基板(2)上，所述直流电压的电平高于或等于所述供应到该惠斯通电桥(3)上的准直流电压。
2.根据权利要求1所述的传感器(1)，其中，该电源被进一步安排成用于将电压供应到该场屏蔽(4)上，其方式为所述供应到该场屏蔽上的电压的电平高于或等于所述供应到该惠斯通电桥(3)上的准直流电压。
3.根据权利要求2所述的传感器(1)，其中，所述供应到该基板(2)上的直流电压的电平等于所述供应到该场屏蔽(4)上的电压的电平。
4.根据权利要求2所述的传感器(1)，其中，所述供应到该场屏蔽(4)上的电压跟随着所述供应到该惠斯通电桥(3)上的准直流电压。
5.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(1)，其中，所述供应到该基板(2)上的直流电压电平与所述供应到该惠斯通电桥(3)上的准直流电压之间的差值至少是0.5V。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其中，这些测量电子器件进一步包括一个或多个电阻器(15，16)，每个电阻器(15，16)电连接在该电源与该惠斯通电桥(3)的一个激励节点(5，6)之间。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器(1)，其中，该惠斯通电桥(3)由在该基板(2)中实现的多个p掺杂电阻器(17)形成。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器(1)，其中，该传感器(1)是一个压阻式MEMS传感器芯片。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器(1)，其中，这些测量电子器件进一步包括一个开关装置(9)，所述开关装置(9)被安排成用于生成一个准直流电压信号并且将所生成的该准直流电压信号供应到该惠斯通电桥(3)上。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器(1)，其中，该传感器(1)是一个压力传感器。
11.一种传感器(1)，包括：
-一个p掺杂基板(2)，
-多个测量电子器件，这些测量电子器件至少部分地安排在该基板(2)上，所述测量电子器件包括一个惠斯通电桥(3)，
-一个场屏蔽(4)，该场屏蔽被安排在该基板(2)上，其方式为该场屏蔽覆盖该惠斯通电桥(3)，
-一个电源，该电源被安排成用于将电压供应到该基板(2)和这些测量电子器件上，其方式为：
-将一个准直流电压供应到该惠斯通电桥(3)上，并且
-将一个直流电压供应到该基板(2)上，所述直流电压的电平低于或等于所述供应到该惠斯通电桥(3)上的准直流电压。
12.根据权利要求11所述的传感器(1)，其中，该电源进一步被安排成用于将电压供应到该场屏蔽(4)上，其方式为所述供应到该场屏蔽上的电压的电平低于或等于所述供应到该惠斯通电桥(3)上的准直流电压。
13.根据权利要求11或12所述的传感器(1)，其中，该惠斯通电桥(3)由在该基板(2)中实现的多个n掺杂电阻器(17)形成。
14.根据权利要求11或12所述的传感器(1)，其中，该传感器(1)是一个压力传感器。
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