CN108267262B - 一种温度自补偿半导体压阻应变计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种温度自补偿的半导体压阻应变计，包括应变计基底、电极、敏感栅,以及在应变计使用过程中需要的直流电压源和检测元件，所述应变计基底为半导体材料，所述敏感栅由离子掺杂或扩散工艺在半导体材料上制作而成，所述敏感栅为两个或四个尺寸相同且相互正交的敏感电阻。本发明提出的应变计通过自身相互正交的敏感栅结构，能够实时补偿由半导体材料自身的电阻温度效应以及应变计和测试件受热膨胀导致的测量误差，能够满足风洞试验中温度变化的条件下对微小应变进行精确测量的要求。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种在风洞试验中温度变化的情况下对微小应变进行精确测量的温度自补偿的半导体压阻应变计。
背景技术
应变计在测量结构应力/应变的同时，也受到温度的影响，而且其温度输出是限制其性能的一个主要因素。在进行风洞试验，尤其是高超声速风洞试验时，目前国内采用的基于应变计的气动力测量装置存在很严重的温度干扰，且这种温度干扰是随风洞试验中气流总温的升高和试验模型滞留热气流中的时间增长而非线性的增加，直接影响到试验数据的可靠性。
半导体应变计以半导体晶体的压阻效应为基础。早期的半导体压阻应变计称为体型半导体应变计，它由半导体硅、锗等晶体切割成栅体制作而成。之后，人们利用半导体集成电路的平面工艺，开发了电阻与硅片一体化的扩散型半导体应变计。体型应变计与扩散型应变计的不同点是：扩散型应变计上的电阻是用扩散法制成的，而体型应变计则是用机械、化学等方法将单晶硅加工成栅状，然后再将它粘贴在弹性元件上的。半导体压阻应变计具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高等特点，但其最大的缺点是易受温度变化的影响。
半导体压阻应变计易受温度影响的缺点是制约其在风洞试验中使用和进一步发展的瓶颈问题之一。在温度变化大的风洞环境中使用时，必须进行温度补偿。常用的补偿方法有线路补偿、提高掺杂浓度、采用防/隔热措施等，这些方法不仅增加了制作工艺/测量装置的复杂性，而且仍不能从根本上克服温度效应所带来的测量误差。因此，解决半导体压阻应变计所固有温度效应问题，对风洞试验过程中气动力特性准确测量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对半导体压阻应变计所固有的温度效应问题，设计一种高精度温度自补偿的应变计结构，以满足在大温度变化范围内对微小应变进行精确测量的要求。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种温度自补偿的半导体压阻应变计，所述应变计包括高阻n型硅基底，设置在基底上的四个电极及两条形状、尺寸相同的敏感栅A和敏感栅B，所述的敏感栅A和敏感栅B为将p型杂质定域离子注入或扩散到所述基底上形成的一层p型电阻层；两条敏感栅正交分离分布且每个敏感栅的两端分别与两个电极相连。
所述的敏感栅A和敏感栅B的形状为直条形。
所述的敏感栅A和敏感栅B的形状为瘦长弯折形。
所述的p型电阻层的厚度为1～3μm。
当使用该应变计时，直流电压源分别与敏感栅A和敏感栅B的一个电极连接，敏感栅A和敏感栅B的另两个电极短接后与检测元件的一端连接，检测元件的另一端接地；
在实际应变测量中，应变计需要通过粘贴固定到测试件表面，以使得测试件受力产生的变形能够传递到其上；当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A和敏感栅B按均等比例发生形变，应变计输出信号不变，达到了温度自补偿的目的；
当应变计沿敏感栅A且背向敏感栅B的方向发生应变时，敏感栅A会相应的沿A方向的产生拉伸形变而导致其电阻增大，敏感栅B则会产生压缩形变而导致其电阻减小，此时检测元件将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。
一种温度自补偿的半导体压阻应变计，包括高阻n型硅基底，在基底上设置的按正方形顺时针依次连接的电极A’、敏感栅A’、电极B’、敏感栅B’、电极C’、敏感栅C’、电极D’和敏感栅D’，并且四个电极和四个敏感栅整体形成闭合回路，所述的四个电极和四个敏感栅形状及尺寸均相同，所述的四个敏感栅均为将p型杂质定域离子注入或扩散到所述基底上形成的一层p型电阻层。
所述的四个敏感栅的形状均为直条形。
所述的p型电阻层的厚度为1～3μm。
当使用该应变计时，所述的应变计在基底上形成一个惠斯顿全桥，直流电压源与电极B’和电极D’连接，由敏感栅B’和敏感栅C’组成一路电流通道而由敏感栅A’和敏感栅D’组成另一路通道，检测元件的两端分别与电极A’和电极C’连接；
当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A’、敏感栅B’、敏感栅C’、敏感栅D’等比例的发生形变，电桥保持平衡；当应变计沿垂直敏感栅A’且背向敏感栅C’的方向发生应变时，敏感栅B’和敏感栅D’的阻值增大，而敏感栅A’和敏感栅C’的阻值减小，电桥不再平衡，此时检测元件将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。
本发明的显著效果在于：
在一定温度和应变范围内，本发明提出的半导体压阻应变计在抑制温度影响的同时，能够直接输出与应变成比例的电压信号；本发明提出的应变计的温度补偿效果不受应变计材料与试件的热膨胀系数差异影响；本发明提出的应变计的温度补偿过程非常迅速，可适用于温度快速变化的应用场合；相比于体型半导体压阻应变计，本发明提出的应变计灵敏度高、结构紧凑且相对牢固。
附图说明
图1为一种集成两个敏感栅结构的温度自补偿应变计的结构示意图；
图2为一种集成两个敏感栅结构的温度自补偿应变计的测量原理示意图；
图3为一种集成另两个敏感栅结构的温度自补偿应变计的结构示意图；
图4为一种集成四个敏感栅结构的温度自补偿应变计的结构示意图；
图5为一种集成四个敏感栅结构的温度自补偿应变计的测量原理示意图；
图中：1应变计基底、2电极A、3电极B、4电极C、5电极D、6敏感栅A、7敏感栅B、8直流电压源、9检测元件、10敏感栅C、11敏感栅D、12电极A’、13电极B’、14电极C’、15电极D’、16敏感栅A’、17敏感栅B’、18敏感栅C’、19敏感栅D’。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明所述的一种温度自补偿的半导体压阻应变计作进一步详细说明。
图1为本发明提出的一种应变计结构示意图。应变计包括基底1及设置在基底1上的电极A2、电极B3、电极C4、电极D5和两条尺寸相同且正交分离分布的敏感栅A6和敏感栅B7，其中敏感栅A6与电极A2、电极D5相连；敏感栅B7与电极B3、电极C4相连；敏感栅A6和敏感栅B7的形状为直条形。
基底1的材料可选用高阻n型硅晶片；敏感栅A6和敏感栅B7为将p型杂质定域离子注入或扩散到高阻n型硅基底上，以形成一层1～3μm厚度的p型电阻层，其形状和尺寸可由离子注入或扩散工艺中使用的掩模板决定；
最后用超声波或热压焊法在电极A2、电极B3、电极C4、电极D5上引出连接导线。
由于该应变计上的两片敏感栅相邻布置在同一片具有良好热传导率的半导体基底上，故可近似认为两者的温度相等；此外，两个敏感栅尺寸相同，且为同一批工艺在相邻位置上制作而成，故可近似认为两者的电学性能(诸如电阻值、电阻温度系数等)亦相等。
按照图2所示方法将该种应变计的测量原理示意图，直流电压源8分别与应变计的电极A2和电极B3连接，应变计的另两个电极C4和电极D5短接后可由检测元件9进行输出信号的检测；在实际应变测量中，应变计需要通过粘贴等方式固定到测试件表面，以使得测试件受力产生的变形能够传递到其上。
当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A6和敏感栅B7按均等比例的发生形变，应变计输出信号不变，达到了温度自补偿的目的；当应变计沿箭头A方向发生应变时，敏感栅A6会相应的沿A方向的产生拉伸形变而导致其电阻增大，敏感栅B7则会产生压缩形变而导致其电阻减小，此时检测元件9将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。由此可以看出，通过使用单片集成的两个正交的敏感栅，本发明提出的该类应变计能够在显著抑制温度效应的基础上，准确的测量测试件上的应变。
图3为本发明提出的应变计的另一种形式，该种结构的应变计将图1和图2所示的直条形敏感栅A6和敏感栅B7改进为瘦长弯折形敏感栅C10和敏感栅D11，这种减小敏感栅宽度、延长敏感栅长度的方式可以增大电阻值，从而可以提高应变测量精度。
但减小敏感栅的宽度亦有限制条件：敏感电阻宽度的选择从制版、光刻误差角度来考虑，在满足局部要求的条件下应尽可能宽；从功耗角度来考虑，敏感电阻的宽度也尽可能宽，因为电流通过电阻之后，敏感电阻受热会引起温度漂移，较宽的电阻宽度可使敏感面积加大，抑制电阻的温度升高。根据经验，采用中小规模集成电路制造工艺，敏感栅的线宽和线条间距可设计为5～10μm。
图4为本发明提出的另一种应变计结构示意图。应变计包括基底1及在基底1上正方形设置的电极A’12、电极B’13、电极C’14、电极D’15和四个尺寸相同呈正方形分布并与四个电极顺时针相连的敏感栅A’16、敏感栅B’17、敏感栅C’18、敏感栅D’19。
本发明提出的应变计为一个单片应变计基底上制作四路等效电阻结构以组成惠斯顿电桥的应变敏感器件。由于该应变计上的四个敏感栅相邻的布置在同一片具有良好热传导率的半导体材料基底上，故可近似认为四者的温度相等；此外，四个敏感栅尺寸相同，且为同一批工艺在相邻位置上制作而成，故可近似认为四者的电学性能(诸如电阻值、电阻温度系数等)亦相等。当温度变化时，由于敏感栅材料沿四周均匀变化，两路电桥的信号互相差分后应变计的输出信号不变；当应变计沿某一方向发生应变时，两路电桥的信号互相沿反方向变化，从而导致应变计输出信号改变。
图5为该应变计的测量原理示意图。本发明提出的这类应变计可在单片基底上形成一个惠斯顿全桥，如直流电压源8与应变计的电极B’13和电极D’15连接，由敏感栅B’17和敏感栅C’18组成的一路电流通道而由敏感栅A’16和敏感栅D’19组成的另一路通道，检测元件9与应变计的电极A’12和电极C’14连接。当应变计上的电桥因应变而失去平衡时，检测元件9将检测出与应变相对应的输出电压信号。
在实际应变测量中，当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A’16、敏感栅B’17、敏感栅C’18、敏感栅D’19等比例的发生形变，电桥保持平衡；当应变计沿箭头A方向发生应变时，敏感栅B’17和敏感栅D’19的阻值增大，而敏感栅A’16和敏感栅C’18的阻值减小，电桥不再平衡，此时检测元件9将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。由此可以看出，通过使用单片集成的四个敏感栅并组成惠斯顿全桥，本发明提出的应变计能够在显著抑制温度效应的基础上，准确的测量测试件上的应变。
Claims (7)
1.一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：所述应变计包括高阻n型硅基底，设置在基底上的四个电极及两条形状、尺寸相同的敏感栅A和敏感栅B，所述的敏感栅A和敏感栅B为将p型杂质定域离子注入或扩散到所述基底上形成的一层p型电阻层；两条敏感栅正交分离分布且每个敏感栅的两端分别与两个电极相连，
当使用该应变计时，直流电压源分别与敏感栅A和敏感栅B的一个电极连接，敏感栅A和敏感栅B的另两个电极短接后与检测元件的一端连接，检测元件的另一端接地，
在实际应变测量中，应变计需要通过粘贴固定到测试件表面，以使得测试件受力产生的变形能够传递到其上；当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A和敏感栅B按均等比例发生形变，应变计输出信号不变，达到了温度自补偿的目的；
当应变计沿敏感栅A且背向敏感栅B的方向发生应变时，敏感栅A会沿A方向产生拉伸形变而导致其电阻增大，敏感栅B则会产生压缩形变而导致其电阻减小，此时检测元件将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。
2.如权利要求1所述的一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：所述的敏感栅A和敏感栅B的形状为直条形。
3.如权利要求1所述的一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：所述的敏感栅A和敏感栅B的形状为瘦长弯折形。
4.如权利要求1所述的一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：所述的p型电阻层的厚度为1～3μm。
5.一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：包括高阻n型硅基底，在基底上设置的按正方形逆时针依次连接的电极A’、敏感栅A’、电极B’、敏感栅B’、电极C’、敏感栅C’、电极D’和敏感栅D’，并且四个电极和四个敏感栅整体形成闭合回路，所述的四个电极和四个敏感栅形状及尺寸均相同，所述的四个敏感栅均为将p型杂质定域离子注入或扩散到所述基底上形成的一层p型电阻层，
当使用该应变计时，所述的应变计在基底上形成一个惠斯顿全桥，直流电压源与电极B’和电极D’连接，由敏感栅B’和敏感栅C’组成一路电流通道而由敏感栅A’和敏感栅D’组成另一路通道，检测元件的两端分别与电极A’和电极C’连接；
当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A’、敏感栅B’、敏感栅C’、敏感栅D’等比例的发生形变，电桥保持平衡；当应变计沿垂直敏感栅A’且背向敏感栅C’的方向发生应变时，敏感栅B’和敏感栅D’的阻值增大，而敏感栅A’和敏感栅C’的阻值减小，电桥不再平衡，此时检测元件将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。
6.如权利要求5所述的一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：所述的四个敏感栅的形状均为直条形。
7.如权利要求5所述的一种温度自补偿的半导体压阻应变计，其特征在于：所述的p型电阻层的厚度为1～3μm。
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Non-Patent Citations (1)
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| 应变片敏感栅结构参数对测量精度的影响;胡玉梅;张方建;邵毅敏;周哲;皮阳军;;重庆大学学报(第12期) * |
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