CN110095222B - 具有基于jfet的桥接电路的压阻式转换器和压阻式压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有基于JFET的桥接电路的压阻式转换器。在实施例中一种压阻式转换器包括具有经受施加的力的机械结构的衬底。至少部分形成在所述机械结构上的桥接电路包括第一半和第二半。所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一结场效应晶体管(JFET)和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器。所述压阻式转换器可为压阻式压力传感器，所述机械结构可为膜片，并且所述施加的力可为施加的压力。

Description

具有基于JFET的桥接电路的压阻式转换器和压阻式压力传 感器
技术领域
本发明大体上涉及压阻式转换器。更具体来说，本发明涉及具有基于JFET的桥接电路的压阻式转换器。
背景技术
压力传感器用于各种应用中，包括例如，商业、汽车、航空、工业和医疗应用。一种类型的压力传感器为压阻式压力传感器。压阻式压力传感器通常包括压敏膜片，在该压敏膜片上形成了具有多个压电电阻器的压阻式桥接电路。压电电阻器通常放置在膜片的边缘附近，在该边缘处在外部压力下应力变化高。因此，施加在膜片上的外部压力引起膜片弯折或弯曲，这影响压电电阻器的电阻。电阻的变化可通过电子电路检测，该电子电路输出表示施加的压力的电信号。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种压阻式转换器，包含：
具有经受施加的力的机械结构的衬底；和
至少部分形成在所述机械结构上的桥接电路，所述桥接电路包括第一半和第二半，所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一结场效应晶体管(JFET)和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器。
在一个或多个实施例中，所述桥接电路的所述第一半与所述桥接电路的所述第二半并联联接，使得在所述第一和第二JFET之间的第一节点形成第一输入端子，在所述第一和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，在所述第一JFET和所述第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在所述第二JFET和所述第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二JFET中的每个包含：
与所述第三和第四节点中的对应一个节点联接的源极；
与所述第一节点联接的漏极；和
联接到栅极电压元件的栅极。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二输入端子联接到源极电压元件，并且所述第一和第二输出端子提供指示所述施加的力的在所述第一和第二输出端子两端的输出电压。
在一个或多个实施例中，所述第一JFET为第一金属半导体场效应晶体管(MESFET)；并且
所述第二JFET为第二MESFET。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二MESFET被配置成在饱和模式中操作。
在一个或多个实施例中，响应于所述施加的力，在所述第一和第二JFET中的每个中的电流与所述第一和第二JFET的沟道迁移率的变化成比例地改变，所述沟道迁移率响应于所述第一和第二JFET对所述施加的力的第一压阻式响应；并且
响应于所述施加的力，所述第一和第二压电电阻器的第二压阻式响应与所述第一和第二压电电阻器的电阻器迁移率的变化成比例地改变。
在一个或多个实施例中，所述衬底包含硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)中的至少一种。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二JFET中的每个包含形成在所述衬底上的源极、漏极和栅极，其中在没有介入压电材料层的情况下，所述栅极在所述衬底的表面上形成。
在一个或多个实施例中，所述压阻式转换器包含压力传感器，所述机械结构包含膜片，并且所述施加的力为施加的压力。
在一个或多个实施例中，所述膜片具有彼此邻接的第一、第二、第三和第四边缘，使得所述第一和第三边缘在所述膜片的表面两端彼此相对，并且所述第二和第四边缘在所述膜片的所述表面两端彼此相对，并且其中所述第一JFET在所述第一边缘处形成，所述第二JFET在所述第二边缘处形成，所述第二压电电阻器在所述第三边缘处形成，并且所述第一压电电阻器在所述第四边缘处形成。
根据本发明的第二方面，提供一种压阻式压力传感器，包含：
具有经受施加的压力的膜片的衬底；和
形成在所述膜片上的桥接电路，所述桥接电路包括第一半和第二半，所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一金属半导体场效应晶体管(MESFET)和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二MESFET和第二压电电阻器，其中所述桥接电路的所述第一半与所述桥接电路的所述第二半并联联接，使得在所述第一和第二MESFET之间的第一节点形成第一输入端子，在所述第一和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，在所述第一MESFET和所述第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在所述第二MESFET和所述第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二MESFET中的每个包含：
与所述第三和第四节点中的对应一个节点联接的源极；
与所述第一节点联接的漏极；和
联接到栅极电压元件的栅极。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二输入端子联接到源极电压元件，并且所述第一和第二输出端子提供指示所述施加的压力的在所述第一和第二输出端子两端的输出电压。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二MESFET被配置成在饱和模式中操作。
在一个或多个实施例中，所述膜片具有彼此邻接的第一、第二、第三和第四边缘，使得所述第一和第三边缘在所述膜片的表面两端彼此相对，并且所述第二和第四边缘在所述膜片的所述表面两端彼此相对，并且其中所述第一MESFET在所述第一边缘处形成，所述第二MESFET在所述第二边缘处形成，所述第二压电电阻器在所述第三边缘处形成，并且所述第一压电电阻器在所述第四边缘处形成。
根据本发明的第三方面，提供一种压阻式转换器，包含：
具有经受施加的力的机械结构的衬底，所述衬底包含硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)中的至少一种；和
至少部分形成在所述机械结构上的桥接电路，所述桥接电路包括第一半和第二半，所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一结场效应晶体管(JFET)和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器，其中所述第一和第二JFET被配置成在饱和模式中操作。
在一个或多个实施例中，所述桥接电路的所述第一半与所述桥接电路的所述第二半并联联接，使得在所述第一和第二JFET之间的第一节点形成第一输入端子，在所述第一和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，在所述第一JFET和所述第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在所述第二JFET和所述第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子。
在一个或多个实施例中，所述第一JFET为第一金属半导体场效应晶体管(MESFET)；并且
所述第二JFET为第二MESFET。
在一个或多个实施例中，所述压阻式转换器包含压力传感器；
所述施加的力为施加的压力；并且
所述机械结构包含具有彼此邻接的第一、第二、第三和第四边缘的膜片，使得所述第一和第三边缘在所述膜片的表面两端彼此相对，并且所述第二和第四边缘在所述膜片的所述表面两端彼此相对，并且其中所述第一JFET在所述第一边缘处形成，所述第二JFET在所述第二边缘处形成，所述第二压电电阻器在所述第三边缘处形成，并且所述第一压电电阻器在所述第四边缘处形成。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1示出现有技术压阻式压力传感器的实例的简化侧视图；
图2示出图1的压阻式压力传感器的简化俯视图；
图3示出用于图1的压阻式压力传感器的桥接电路的图；
图4示出现有技术压阻式压力传感器的另一个实例的简化侧视图；
图5示出图4的压阻式压力传感器的简化俯视图；
图6示出用于图4的压阻式压力传感器的桥接电路的图；
图7示出根据实施例的压阻式转换器，并且更具体来说压阻式压力传感器的侧视图；
图8示出图7的压阻式压力传感器的俯视图；
图9示出用于图7的压阻式压力传感器的桥接电路的图；
图10示出金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置的简化侧视图；和
图11示出金属半导体场效应晶体管(MESFET)装置的简化侧视图。
具体实施方式
概括地说，本公开涉及压阻式转换器，并且更具体地说具有增强灵敏度的压阻式压力转换器。更具体地说，压阻式压力转换器包括包括两个结场效应晶体管(JFET)和两个压电电阻器的桥接电路配置。JFET和压电电阻器定位在压敏膜片的不同高应力位置内。JFET以及被称为金属半导体场效应晶体管(MESFET)的JFET的子集，具有应力敏感现象，其中在沟道区域中源极电流随应力(例如施加的力，如压力)改变。因为JFET装置的沟道区域全部处于块体半导体材料内，所以JFET的压阻式响应将与在桥接电路中的压电电阻器的压阻式响应相同。因此，使用MESFET的JFET保持载流子迁移率的块体材料特性和压阻式响应以能够实现优于现有技术配置的增强的灵敏度。尽管本文中所论述的实施例需要压阻式压力转换器，但是应理解，包括两个JFET和两个压电电阻器的桥接电路可适于在包括经受施加的力的机械结构的其它压阻式转换器中使用。
提供本公开以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本发明以加强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求书限定，所述所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的未决期间所作出的任何修正。
应理解，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。此外，附图中的一些可通过使用各种底纹和/或阴影线来说明以区分在各个结构性层内产生的不同元件。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用了不同的底纹和/或阴影线，但是结构性层内的不同元件可能由相同材料形成。
参考图1-3，图1示出现有技术压阻式压力传感器20的实例的简化侧视图，图2示出压阻式压力传感器20的简化俯视图，并且图3示出用于压阻式压力传感器20的桥接电路22的图。更具体地说，图1和2描绘压阻式压力传感器20的压力感测元件。将容易理解，此外，压阻式压力传感器20可包括专用集成电路(ASIC)部分(未示出)，并且压力感测元件和ASIC可联接到共用基部，压力感测元件可由相关联的ASIC管芯单独地制作和包装，或压力感测元件和ASIC可集成在任何合适配置中。
压阻式压力传感器20大体上包括具有腔26的衬底24。可变形隔膜，在本文中被称为膜片28，在衬底24中或在衬底24上制作并且悬置在腔26两端。示出膜片28具有合适地取向成在其中应力水平较高的膜片28的每个边缘附近的压电电阻器30、32、34、36。压电电阻器30、32、34、36(标记为R1、R2、R3、R4)连接到由桥接电路22表示的简单惠斯通桥接电路(Wheatstone bridge circuit)中，该桥接电路22以差分模式操作以最大化信号输出。在各种各样的包装配置中，膜片28暴露于由箭头38表示的外部施加的压力。在外部施加的压力38下，膜片28变形，这改变压电电阻器30、32、34、36的电阻。因此，压阻式压力传感器20检测在膜片28中提供的压电电阻器30、32、34、36的电阻变化并且输出表示外部施加的压力38的电信号(例如电压输出信号40，标记为VOUT)。
在该配置中，桥接电路22的灵敏度通过感测元件，即，压电电阻器30、32、34、36的电阻的归一化的变化确定。另外，压电电阻器30、32、34、36的电阻的变化与在电阻器材料中的载流子迁移率直接相关，这涉及材料的压阻系数，如下：
Figure GDA0003750325820000071
在等式(1)中，R0为当不存在施加的压力28时压电电阻器的标称电阻，并且ΔR为在应力下电阻的变化。此外，μR表示当不存在施加的压力38时压阻式材料的电阻器迁移率，并且ΔμR表示电阻器迁移率的变化。术语σl和σt分别表示电阻器条(即，压电电阻器)的纵向和横向应力，并且术语πl和πt分别为纵向和横向压阻系数。因此，压阻式压力传感器20的灵敏度(SRES)通过以下确定：
Figure GDA0003750325820000072
等式(2)指示，对于桥接电路22，压阻式压力传感器20的灵敏度与电压输出40VOUT与输入(即，源极电压42)VDD的比率成比例。因此，如在等式(1)和(2)中所观察的，压阻式压力传感器20的灵敏度与压阻系数πl和πt直接相关。
现在参考图4-6，图4示出现有技术压阻式压力传感器50的另一个实例的简化侧视图，图5示出压阻式压力传感器50的简化俯视图，并且图6示出用于压阻式压力传感器50的桥接电路52的图。压阻式压力传感器50实施杂合桥接设计以相对于压阻式压力传感器20(图1)提高压阻式压力传感器50的灵敏度。更具体地说，压阻式压力传感器50包括具有腔56的衬底54，其中膜片58在衬底54中或在衬底54上制作并且悬置在腔56两端。压阻式压力传感器50包括位于膜片58的相邻边缘64、66的两个压电电阻器60、62，标记为R1和R2。此外，压阻式压力传感器50包括位于膜片58的相邻边缘72、74的两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)68、70，标记为M1和M2。因此，在压阻式压力传感器50中，图1的压阻式压力传感器配置的两个压电电阻器被MOSEFT 68、70替换。
压电电阻器60、62和MOSFET 68、70如桥接电路52所表示连接，该桥接电路52以差分模式操作以最大化信号输出。此外，MOSFET 68、70在饱和模式或区域中操作。在各种各样的包装配置中，膜片58暴露于由箭头76表示的外部施加的压力。在外部施加的压力76下，膜片58变形，这改变压电电阻器60、62的电阻。MOSFET 68、70也表现出应力敏感现象，其中源极电流随沟道区域的应力改变。
在饱和模式或区域中，MOSFET 68、70中的电流与载流子迁移率成比例，如下：
Figure GDA0003750325820000081
在等式(3)中，μP0为沟道载流子迁移率(例如p型硅的迁移率)，COX为MOSFET的氧化物的电容，W为沟道的宽度，L为沟道的长度，VGS为栅极-源极电压，并且VT为阈值电压。当施加压力76时，诱生沟道的额外应力并且沟道载流子迁移率改变。沟道载流子迁移率变化(ΔμP)与沿晶体轴线的强制应力成比例。因此，在饱和模式中源极-漏极电流的变化与应力成比例，这可如下表示：
Figure GDA0003750325820000082
在等式(4)中，术语σl和σt分别表示沟道中的纵向和横向应力，并且术语πl和πt分别为纵向和横向沟道压阻系数。
基于MOSFET的应力敏感效应，产生桥接电路52，其中两个MOSFET 68、70和两个压电电阻器60、62连接以形成惠斯通电桥。当不存在施加的压力76时，桥接电路52平衡，这可如下表示：
V0＝VO1T1＝VO1T2 (5)
因此，在等式(5)中，V0表示在施加压力76之前平衡的输出电压。当将压力76施加到膜片58上时，桥接电路52的每一半的电流和压阻响应于施加的压力76而改变。例如，MOSFET 70的迁移率μP和压电电阻器62的迁移率μR可随应力提高。相反，MOSFET 68的迁移率μP和压电电阻器60的迁移率μR可随应力降低。因此，桥接电路52的电压输出信号VOUT 78可示出为与MOSFET 68、70和压电电阻器60、62两者的归一化的迁移率变化的总和成比例，如下：
Figure GDA0003750325820000091
因此，压阻式压力传感器50检测在膜片58中提供的MOSFET 68、70和压电电阻器60、62两者的归一化的迁移率变化，并且输出表示外部施加的压力76的电信号(例如电压输出信号78，标记为VOUT)。
压阻式压力传感器50的灵敏度SMOS可如下表示：
Figure GDA0003750325820000092
等式(7)指示，对于桥接电路52，压阻式压力传感器50的灵敏度与电压输出信号78VOUT与输入(即，源极电压80，标记为VDD)的比率成比例。因此，如在等式(4)-(7)中所观察的，压阻式压力传感器50的灵敏度与MOSFET 68、70的压阻系数πl和πt以及压电电阻器60、62的压阻系数πl和πt直接相关。
压阻式压力传感器50的灵敏度与压阻式压力传感器20的灵敏度的比率为：
Figure GDA0003750325820000093
其中
Figure GDA0003750325820000094
在等式(8)中，α为表示桥接电路52的偏置点的电路因数，这可通过改变装置的尺寸和工艺参数调节。此外，β为在桥接电路22和桥接电路52之间归一化的迁移率的比率。也就是说，β为象征在MOSFET和压电电阻器之间应力敏感程度的材料因数。可以从等式(8)观察到，在压阻式压力传感器50中实施MOSFET装置(例如MOSFET 68、70)可产生相对于压阻式压力传感器20增强的灵敏度。
通常，场效应晶体管分为两个系列：结场效应晶体管(JFET)和绝缘栅极FETS(IGFET)，更通常被称为MOSFET。术语MOSFET反映其金属(栅极)、氧化物(绝缘体)和半导体的层的原始构造。由于在载流子抵靠绝缘氧化物表面牵拉时的界面散射，在MOSFET装置(例如MOSFET 68、70)的沟道内的迁移率小于块体半导体的迁移率。由于界面散射，经受此迁移率降低的载流子将不以在块体半导体中的载流子将对压阻效应作出响应的相同方式对压阻效应作出响应。因此，由于MOSFET装置(例如MOSFET 68、70)的性质，β小于整体(即，小于一)。如此，在压阻式压力传感器50中使用MOSFET装置引入压阻式压力传感器50的灵敏度的迁移率限制。
根据实施例，JFET在压阻式压力传感器配置中实施。与MOSFET装置不同，JFET栅极形成具有沟道的p-n二极管，该p-n二极管处于源极和漏极之间。因为JFET装置没有绝缘氧化层物，所以JFET装置不经受MOSFET装置所经受的相同迁移率限制。因此，JFET实施可提供整体(即，一)的β值，由此实现相对于基于MOSFET的压阻式压力传感器50的在50％到100％范围内的压阻式压力传感器灵敏度的提高。另外，包括JFET装置的压阻式压力传感器配置可以具有块体压阻式响应的任何半导体技术实施，该块体压阻式响应也有益于JFET晶体管技术。这包括硅和锗技术，以及化合物半导体技术，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。因此，包括JFET装置的压阻式压力传感器配置可并入到比例如包括MOSFET装置的压阻式压力传感器配置更广泛的各种材料技术中。
现在参考图7-9，图7示出根据实施例的压阻式转换器，并且更具体来说，压阻式压力传感器90的侧视图。图8示出压阻式压力传感器90的俯视图，并且图9示出用于压阻式压力传感器90的桥接电路92的图。更具体地说，图7和8描绘压阻式压力传感器90的压力感测元件。将容易理解，压阻式压力传感器90可另外包括专用集成电路(ASIC)部分(未示出)，并且压力感测元件和ASIC可联接到共用基部，压力感测元件可由相关联的ASIC管芯单独地制作和包装，或压力感测元件和ASIC可集成在任何合适配置中。
压阻式压力传感器90大体上包括具有腔96的衬底94。呈可变形膜片98形式的机械结构在衬底94中或在衬底94上制作并且悬置在腔96两端。桥接电路92至少部分在膜片98上形成。桥接电路92包括第一半100和第二半102。桥接电路92的第一半100具有串联联接的第一JFET104和第一压电电阻器106(标记为R1)。类似地，桥接电路92的第二半102具有串联联接的第二JFET 108和第二压电电阻器110(标记为R2)。
在实施例中，第一JFET 104和第二JFET 108为金属半导体FET(MESFET)。MESFET为JFETS，其中JFET的反向偏置的p-n结用金属半导体结替换。因此，MESFET 104、108也没有在栅极和半导体之间的绝缘氧化物层。因此，MESFET 104、108不经受MOSFET装置所经受的相同迁移率限制。为了清晰起见，JFET 104、108在下文中分别被称为第一MESFET 104和第二MESFET 108，标记为M1和M2。然而，替代实施例可包括常规JFET或在JFET系列内的其它FETS，这些JFET没有在栅极和半导体之间的绝缘电介质(例如氧化物)层。
在实施例中，膜片98具有彼此邻接的第一边缘112、第二边缘114、第三边缘116和第四边缘118，使得第一边缘112、和第三边缘116在膜片98的表面119两端彼此相对，并且第二边缘114和第四边缘118在膜片98的表面119两端彼此相对。第一MESFET 104在第一边缘112处形成，第二MESFET在第二边缘114处形成，第二压电电阻器110在第三边缘116处形成，并且第一压电电阻器106在第四边缘118处形成。因此，压阻式压力传感器90包括合适地取向在膜片98的相邻边缘112、114处的第一MESFET 104和第二MESFET 108以及合适地取向在膜片98的相邻边缘118、116处的第一压电电阻器106和第二压电电阻器110，在膜片98中应力水平较高。可替代地设想对于MESFETS 104、108和压电电阻器106、110的其它定位。
桥接电路92的第一半100与桥接电路92的第二半102并联联接，使得在第一MESFET104和第二MESFET 108之间的第一节点120形成第一输入端子，并且在第一和第二压电电阻器之间的第二节点122形成第二输入端子。此外，在第一MESFET 104和第一压电电阻器106之间的第三节点124形成第一输出端子，并且在第二MESFET 108和第二压电电阻器110之间的第四节点126形成第二输出端子。
根据实施例，衬底94包含硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等中的至少一种。第一MESFET 104和第二MESFET 108中的每个包括在衬底94上形成的源极128、漏极130和栅极132，其中栅极132插入在源极128和漏极130之间(参见图11)。第一MESFET 104和第二MESFET 108中的每个的漏极130与第一节点120联接。第一MESFET104的源极128与第三节点124联接，并且第二MESFET 108的源极128与第四节点126联接。第一MESFET 104和第二MESFET 108中的每个的栅极132联接到标记为VG的栅极电压元件134。第一节点120和第二节点122(如第一和第二输入端子)联接到标记为VDD的源极电压元件136。第三节点124和第四节点126(如第一和第二输出端子)提供指示施加到膜片98的力，例如外部压力140(通过图7中的箭头表示)的在第一和第二输出端子两端的电信号(例如电压输出信号138，标记为VOUT)。
根据实施例，第一MESFETS 104和第二MESFETS 108具有相同结构参数，如在源极128和漏极130之间的沟道区域142(参见图11)的宽度W和长度L。此外，第一MESFET 104和第二MESFET 108被配置成具有相同夹断电压和相同栅极-源极电压VGS，其中栅极-源极电压等于栅极电压和源极电压之间的差(即，VGS＝VG-VDD)。另外，第一MESFET104和第二MESFET 108被配置成在饱和模式(即，在饱和区域)中操作。另外，在没有介入压电材料层的情况下，第一MESFET 104和第二MESFET 108中的每个的栅极132在半绝缘衬底94的表面上形成，使得压阻式压力传感器90表现出压阻式响应，而不是压电式响应。第一压电电阻器106和第二压电电阻器110另外具有相同基线电阻参数R0。
响应于施加的力(例如外部压力140)，第一MESFET 104和第二MESFET 108中的每个的电流与第一MESFET 104和第二MESFET 108的沟道迁移率的变化成比例地改变。类似于上文所讨论的MOSFET 68、70(图6)，根据等式(3)-(6)，第一MESFET 104和第二MESFET 108的沟道迁移率响应于第一MESFET 104和第二MESFET 108对施加的压力140的压阻式响应。根据等式(1)，响应于施加的力(例如外部压力140)，第一压电电阻器106和第二压电电阻器110的压阻式响应与第一压电电阻器106和第二压电电阻器110的电阻器迁移率的变化成比例地改变。
现在参考图10和11，图10示出金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置144的简化侧视图，并且图11示出金属半导体场效应晶体管(MESFET)装置的简化侧视图。为了提供与压阻式压力传感器90的对应关系，结合第一MESFET 104描述图11。然而，以下讨论等效地适用于第二MESFET 108。
MOSFET装置144包括形成在衬底151上的源极146、漏极148以及插入在源极146和漏极148之间的绝缘栅极150，该绝缘栅极150的电压决定MOSFET 144的电导率。导电沟道区域152在源极146和漏极148之间延伸。虽然栅极150包括介电材料层，有时被称为栅极氧化物154，但是可实施其它绝缘介电材料。在MOSFET装置144中，电流在源极146和漏极148之间流动，通过形成在栅极氧化物154的表面156处的反型层(沟道区域152)。栅极氧化物154的表面156在微观尺度上可为粗糙的。与衬底151的块体值相比，这种粗糙度可导致表面散射部件降低载流子迁移率并且因此降低MOSFET装置144的沟道区域152的压阻式响应。因此，在形成沟道区域152的反型层内的界面散射导致在等式(8)中呈现的因数β小于一。
另一方面，MESFET装置104的沟道区域142全部处于块体半导体材料94内。因此，MESFET装置104实际上为选通电阻器，并且其压阻式响应将与用于形成常规压阻式转换器桥接电路(例如压阻式压力传感器20的桥接电路22)的块体电阻器的压阻式响应相同。换句话说，在块体半导体材料(例如衬底94)内的沟道形成实现衬底94的载流子迁移率和压阻式特性的保持。这意味着，对于基于MESFET的压阻式压力传感器90(图7-9)，因数β将为整体(即，一)。因此，与基于MOSFET的压阻式压力传感器50(图4-6)相比，灵敏度SMES可大高达两的倍数。
本文描述的实施例需要转换器装置，并且更具体地说具有增强灵敏度的压阻式压力转换器。压阻式转换器的实施例包含具有经受施加的力的机械结构的衬底和至少部分形成在该机械结构上的桥接电路，桥接电路包括第一半和第二半，桥接电路的第一半具有串联联接的第一结场效应晶体管(JFET)和第一压电电阻器，并且桥接电路的第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器。
压阻式压力传感器的实施例包含具有经受施加的压力的膜片和形成在膜片上的桥接电路的衬底。桥接电路包括第一半和第二半，桥接电路的第一半具有串联联接的第一金属半导体场效应晶体管MESFET)和第一压电电阻器，并且桥接电路的第二半具有串联联接的第二MESFET和第二压电电阻器，其中桥接电路的第一半与桥接电路的第二半并联联接，使得在第一和第二MESFET之间的第一节点形成第一输入端子，在第一和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，在第一MESFET和第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在第二MESFET和第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子。
压阻式转换器的另一个实施例包含具有经受施加的力的机械结构的衬底，该衬底包含硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)中的至少一种，并且桥接电路至少部分在机械结构上形成。桥接电路包括第一半和第二半，桥接电路的第一半具有串联联接的第一结场效应晶体管(JFET)和第一压电电阻器，并且桥接电路的第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器，其中第一和第二JFET被配置成在饱和模式中操作。
因此，包括具有定位在压敏膜片的不同高应力位置内的两个JFET和两个压电电阻器的桥接电路配置的压阻式压力转换器实现优于现有技术配置的增强的灵敏度。另外，压阻式转换器可使用各种各样的材料技术形成。
本公开旨在阐明使用本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不非旨在是穷尽性的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可能有许多修改或变化。选择和描述实施例以提供对本发明的原理和其实际应用的最佳说明，以及使得本领域的普通技术人员能够在各种实施例中利用本发明并用适合于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有这样的修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本专利申请未决期间可修正。

Claims (9)

1.一种压阻式转换器，其特征在于，包含：
具有经受施加的力的机械结构的衬底；和
至少部分形成在所述机械结构上的桥接电路，所述桥接电路包括第一半和第二半，所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一JFET和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器；
所述桥接电路的所述第一半与所述桥接电路的所述第二半并联联接，使得在所述第一JFET和第二JFET之间的第一节点形成第一输入端子，在所述第一压电电阻器和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，所述第一输入端子和第二输入端子联接到源极电压元件；在所述第一JFET和所述第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在所述第二JFET和所述第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子。
2.根据权利要求1所述的压阻式转换器，其特征在于：
所述第一JFET为第一金属半导体场效应晶体管MESFET；并且
所述第二JFET为第二金属半导体场效应晶体管MESFET。
3.根据权利要求2所述的压阻式转换器，其特征在于，所述第一MESFET和第二MESFET被配置成在饱和模式中操作。
4.根据权利要求1所述的压阻式转换器，其特征在于：
响应于所述施加的力，在所述第一JFET和第二JFET中的每个中的电流与所述第一JFET和第二JFET的沟道迁移率的变化成比例地改变，所述沟道迁移率响应于所述第一JFET和第二JFET对所述施加的力的第一压阻式响应；并且
响应于所述施加的力，所述第一压电电阻器和第二压电电阻器的第二压阻式响应与所述第一压电电阻器和第二压电电阻器的电阻器迁移率的变化成比例地改变。
5.根据权利要求1所述的压阻式转换器，其特征在于，所述衬底包含硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的压阻式转换器，其特征在于，所述第一JFET和第二JFET中的每个包含形成在所述衬底上的源极、漏极和栅极，其中在没有介入压电材料层的情况下，所述栅极在所述衬底的表面上形成。
7.根据权利要求1所述的压阻式转换器，其特征在于，所述压阻式转换器包含压力传感器，所述机械结构包含膜片，并且所述施加的力为施加的压力。
8.一种压阻式压力传感器，其特征在于，包含：
具有经受施加的压力的膜片的衬底；和
形成在所述膜片上的桥接电路，所述桥接电路包括第一半和第二半，所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一MESFET和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二MESFET和第二压电电阻器，其中所述桥接电路的所述第一半与所述桥接电路的所述第二半并联联接，使得在所述第一MESFET和第二MESFET之间的第一节点形成第一输入端子，在所述第一压电电阻器和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，所述第一输入端子和第二输入端子联接到源极电压元件；在所述第一MESFET和所述第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在所述第二MESFET和所述第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子；并且第一输出端子和第二输出端子提供指示所述施加的压力的在所述第一输出端子和第二输出端子两端的输出电压。
9.一种压阻式转换器，其特征在于，包含：
具有经受施加的力的机械结构的衬底，所述衬底包含硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)中的至少一种；和
至少部分形成在所述机械结构上的桥接电路，所述桥接电路包括第一半和第二半，所述桥接电路的所述第一半具有串联联接的第一JFET和第一压电电阻器，并且所述桥接电路的所述第二半具有串联联接的第二JFET和第二压电电阻器，其中所述第一JFET和第二JFET被配置成在饱和模式中操作；
所述桥接电路的所述第一半与所述桥接电路的所述第二半并联联接，使得在所述第一JFET和第二JFET之间的第一节点形成第一输入端子，在所述第一压电电阻器和第二压电电阻器之间的第二节点形成第二输入端子，所述第一输入端子和第二输入端子联接到源极电压元件；在所述第一JFET和所述第一压电电阻器之间的第三节点形成第一输出端子，并且在所述第二JFET和所述第二压电电阻器之间的第四节点形成第二输出端子。
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