CN112710405B - 一种温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种温度传感器，属于传感器技术领域。所述温度传感器包括：具有谐振腔的基板；悬臂梁，该悬臂梁位于所述谐振腔中，一端固定在所述基板上；金属层，位于所述悬臂梁的表面，温度变化时，与悬臂梁共同作用产生静态弯曲量；惠斯通电桥，包括至少一个U型可变压阻，该可变压阻位于所述悬臂梁的固定端应力最大处，用于将所述静态弯曲量转换为电信号。通过本发明提供的技术方案，能够实现对环境温度的快速高灵敏度、高精度的检测。

Description

一种温度传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种温度传感器。

背景技术

温度是日常生活中必不可少的重要物理量，对环境温度的检测在工业、农业以及人们的日常生活中有重大意义。温度传感器在各种场合都有广泛的应用，现在主流的温度传感器有：第一，双金属温度计，由两种或多种具有不同热膨胀系数的金属片叠组成多层金属片。当温度变化时，多层金属片发生应力形变，以分度标尺的形式指示温度。此类温度传感器制作简单，成本低，但是测温范围较窄、测温精度低。第二，热电偶温度传感器，由两种不同的导体两端分别相连构成回路。当两个连接点存在温度梯度时，回路中产生电动势，这种温度梯度产生电动势的效应称为热电效应。冷端的开路电压正比于两端的温度差。此类温度传感器测温范围宽，精度高，但是灵敏度极低。第三，电阻式温度传感器，利用金属或半导体对温度的敏感特性表征温度。由金属材料制成的为热电阻，由半导体材料制成的为热敏电阻。热电阻测温线性度好，但是体积大、价格高、灵敏度低。热敏电阻灵敏度高、体积小，但是测温线性度很差，测温范围窄。传统的温度传感器的所述缺点，大大限制了其应用范围，因此，亟需一种灵敏度高、测量精度高、易于集成、稳定性能好的温度传感器。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种温度传感器，该传感器能够实现对环境温度的快速高灵敏度检测，同时减小温度传感器的占用体积、提高其可集成度与测量数据的准确性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种温度传感器，所述传感器包括：具有谐振腔的基板；悬臂梁，该悬臂梁由半导体材料制成，位于所述谐振腔中，一端固定在所述基板上；金属层，位于所述悬臂梁的表面，温度变化时，与悬臂梁共同作用产生静态弯曲量；惠斯通电桥，包括至少一个U型可变压阻，该可变压阻位于所述悬臂梁的固定端应力最大处，用于将所述静态弯曲量转换为电信号。

可选的，所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度a和在基板上的长度n的大小，使所述U型可变压阻的阻值变化率最大。

可选的，所述长度a为a²+2na-2nL＝0的整数解，其中，L为所述悬臂梁的长度，所述长度n为满足工艺要求的最小值。

可选的，所述U型可变压阻的宽度W_U的大小，使温度漂移现象最小化。

可选的，所述宽度W_U为：

其中，R_方为方块电阻的大小，U为施加在所述惠斯通电桥的电压，I为电流，c为所述U型可变压阻两条单边之间连接部分的长度。

可选的，所述惠斯通电桥还包括U型电阻、电学传输线和外接电极阵列，所述U型可变压阻、所述U型电阻以及所述外接电极阵列通过所述电学传输线相互连接；所述外接电极阵列用于与外部电路的连接。

可选的，所述U型可变压阻与所述金属层没有接触。

可选的，所述金属层的材料为金和/或铝，形状为三角形、矩形、圆形或弧形。

可选的，所述悬臂梁结构由SOI基片的顶层硅制成，形状为矩形、T型、双端固支中任意一种。

可选的，所述谐振腔在厚度方向贯穿整个基板，所述基板为SOI基片。

本发明由半导体材料制成的悬臂梁和金属层形成的温度传感器，检测灵敏度高，响应时间短，能够实现对环境温度的快速高灵敏度检测。

本发明基于悬臂梁结构设计，占用体积小、制造工艺与COMS工艺兼容，能够大规模批量化生产，大大降低了制造成本。

进一步地，本发明通过设置悬臂梁上U型可变压阻的长度和宽度的最优解，提高了压阻的阻值变化率，降低了传感器受温漂现象的影响，大幅度提高了温度传感器的灵敏度的同时，提高了传感器测量数据的准确性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的温度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的悬臂梁的工作原理图；

图3是本发明实施例提供的U型可变压阻的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明实施例提供一种温度传感器，所述传感器包括：具有谐振腔的基板；悬臂梁，该悬臂梁由半导体材料制成，位于所述谐振腔中，一端固定在所述基板上；金属层，位于所述悬臂梁的表面，温度变化时，与悬臂梁共同作用产生静态弯曲量；惠斯通电桥，包括至少一个U型可变压阻，该可变压阻位于所述悬臂梁的固定端应力最大处，用于将所述静态弯曲量转换为电信号。

所述惠斯通电桥还可以包括U型电阻、电学传输线和外接电极阵列，所述U型可变压阻、U型电阻以及外接电极阵列通过所述电学传输线相互连接；所述外接电极阵列用于与外部电路的连接。

所述金属层的材料可以为各种导电并且热膨胀系数与悬臂梁的热膨胀系数不同的金属材料，优选为金和/或铝。所述金属层的形状可以为任意形状，优选为三角形、矩形、圆形或弧形。

所述金属层的厚度能够满足在温度变化时在金属层和悬臂梁产生热应力，在热应力的作用下悬臂梁发生弯曲即可。在一个具体实施方式中，金属层的厚度为0.5μm。

所述金属层可以位于悬臂梁的部分表面，使其整体尺寸小于所述悬臂梁的整体尺寸。优选地，所述U型可变压阻与所述金属层没有接触。按照该优选实施方式，可以防止所述U型可变压阻与所述金属层电学连接。可以通过在悬臂梁3与U型可变压阻5接触的部位不设置金属层，使得所述U型可变压阻与所述金属层没有接触。

所述悬臂梁可以由半导体材料制成，优选由SOI(绝缘硅)基片的顶层硅制成。所述悬臂梁的形状可以为为矩形、T型、双端固支中的任意一种。

所述谐振腔可以在厚度方向贯穿整个基板。所述基板可以由SOI基片制成。优选地，所述谐振腔左右边缘距离整个温度传感器的左右边缘长度不应低于500μm。按照该优选实施方式，可以避免器件在划片或后期操作过程中存在断裂的风险。

所述U型可变压阻可以为受应力作用电阻值发生变化的器件，优选地，所述U型可变压阻由离子注入工艺实现。

本发明实施例提供一种温度传感器的具体结构，其结构示意图如图1所示，所述温度传感器包括：基板1、谐振腔2、悬臂梁3、金属层4、U型可变压阻5、电学传输线6、外接电极阵列7、U型电阻8。

如图1所示，金属层4可以采用蒸镀或溅射、剥离等工艺制作在悬臂梁3上表面，形成双层梁结构；悬臂梁3位于谐振腔2中，一端固定在基板1上(即固定端)；U型可变压阻5以及U型电阻8呈对称分布；外接电极阵列7中任意两个相邻电极的间距一致。

图2示意性示出本发明实施例的悬臂梁工作原理：当环境温度发生改变时，悬臂梁3会在谐振腔2中弯曲，悬臂梁3的静态弯曲量(自由端挠度)发生改变，其原理是组成悬臂梁3的两种材料的热膨胀系数不同，温度变化会导致悬臂梁3内部产生热应力，在热应力的作用下悬臂梁3发生弯曲，温度变化量越大，悬臂梁3弯曲量的变化量越大。U型可变压阻5、电学传输线6、外接电极阵列7和U型电阻8组成惠斯通电桥电路，用于将环境温度变化时，所述悬臂梁产生的静态弯曲量转换为可用于检测的电信号。

可选的，所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度a和在基板上的长度n的大小，使所述U型可变压阻的阻值变化率最大。

可选的，所述长度a为a²+2na-2nL＝0的整数解，其中，L为所述悬臂梁的长度，所述长度n为满足工艺要求的最小值。

具体的，由于所述U型可变压阻必须从悬臂梁上延伸至基板上，以便与电学传输线相连接，所以所述基板上的长度n为满足工艺要求至少为5um。由于所述U型可变压阻的阻值变化率越大，温度传感器的灵敏度越高，因此，在本实施例中，通过控制所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度a和在基板上的长度n的大小可以使压阻的阻值变化率达到最大，从而提高温度传感器的测温性能。

进一步地，对于长L，宽W的悬臂梁，其中，所述悬臂梁固定端的边长为宽，自由端的边长为长，所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度为a时，取得的压阻阻值的变化率最大，所述最优长度a的求解过程如下：

无应力时所述U型可变压阻阻值大小可由公式(1)计算得到

所以压阻变化率为

其中S为垂直于电流方向的电阻截面面积，即

S＝c×d  (3)

其中c，d为所述U型可变压阻截面矩形的长和宽，则截面面积的变化率由公式(3)计算得到

其中v是泊松比，所以将式(3)带入式(2)得

对于半导体材料而言，由电阻率变化引起的电阻变化是由几何形变引起的电阻变化的50—100倍，所以压阻阻值的变化率由压阻电阻率的变化率决定，压阻的阻值变化率为

其中π_l和π_t分别为纵向压阻系数和横向压阻系数，σ_l为悬臂梁的纵向应力。

对硅(100)面的[110]晶向，泊松比ν为0.064，用P型硅的压阻因子：

π_l＝71.8×10^-11  (7)

π_t＝-66.3×10^-11  (8)

将(7)(8)带入(6)得

所述悬臂梁在集中载荷力F的作用下挠度公式为

其中L、b、h为所述悬臂梁的长度，宽度和厚度，E为杨氏模量(170Gpa)则悬臂梁自由端位移和集中载荷力F之间的关系为

即

悬臂梁的纵向应力分布为：

所以可以推导出

由于所述悬臂梁上纵向应力随长度(x)厚度(z)方向变化而变化，所以整个压阻区域的阻值变化率应用积分计算

其中a，t为所述悬臂梁上单边压阻条的长度和厚度，其中Ω(L)为悬臂梁自由端挠度，计算可得

对于长L，宽W的悬臂梁，压阻的真实阻值变化率为

求解上式的绝对值的最大值，对上式求导得

其中R为单边压阻条悬臂梁上部分的阻值，R₁为单边压阻条基板上部分的阻值，如图3所示为所述U型可变压阻示意图，a为所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度，n为所述U型可变压阻的单边在基板上的长度。

取a²+2na-2nL＝0的整数解时，压阻的阻值变化率达到最大，因此，所述长度a为U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度最佳值。

以悬臂梁的长300um，宽100um为例，对不同的所述U型可变压阻的单边在基板上的长度n所对应的单边压阻的真实阻值变化率进行计算，结果如下：

(1)n＝5um时，当a＝50um单边压阻条阻值变化率最大，值为-7.535×10^-6；

(2)n＝10um时，当a＝68.1um单边压阻条阻值变化率最大，值为-6.9894×10^-6；

(3)n＝15um时，当a＝81um单边压阻条阻值变化率最大，值为-6.5992×10^-6；

(4)n＝20um时，当a＝91um单边压阻条阻值变化率最大，值为-6.2885×10^-6；

(5)n＝30um时，当a＝107.5um单边压阻条阻值变化率最大，值为-5.8026×10^-6；

(6)n＝50um时，当a＝130um单边压阻条阻值变化率最大，值为-5.7549×10^-6。

从计算结果可知，所述U型可变压阻的单边在基板上的长度n越长，相对应的所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度a越长，所能达到的单边压阻的真实阻值变化率的值越小。因此为了确定所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度a的最优值，长度n要在工艺要求的基础上尽可能的小。在一个优选实施方式中，所述U型可变压阻的单边在基板上的长度n为5μm，计算所述U型可变压阻的总长度为50×2+10+5×2＝120μm，公式左边的10μm为单边压阻条横向连接部分长度c。

可选的，所述U型可变压阻的宽度W_U的大小，使温度漂移现象最小化。

可选的，所述宽度W_U为：

其中，R_方为方块电阻的大小，U为施加在所述惠斯通电桥的电压，I为电流，c为所述U型可变压阻两条单边之间连接部分的长度。

具体的，由于所述U型可变压阻的压阻系数容易受惠斯通电桥电路温度的影响而发生温度漂移，惠斯通电桥电路温度高时温漂现象严重，影响传感器测得的数据的准确性，因此，要尽量减小惠斯通电桥自发热产生的热量，使得通过桥臂的电流不能过大，控制在1mA(I)左右，施加在所述惠斯通电桥的电压为U，该U型可变压阻的电阻值为U/I，因此，共需要方块电阻的个数m为

其中，所述R_方的大小可以根据注入剂量计算得到。假定所述U型可变压阻两条单边压阻中间的连接部分的长度为c，则该U型可变压阻的最佳宽度W_U为

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种温度传感器，其特征在于，包括：

具有谐振腔的基板；

悬臂梁，该悬臂梁由半导体材料制成，位于所述谐振腔中，一端固定在所述基板上；

金属层，位于所述悬臂梁的表面，所述金属层的整体尺寸小于所述悬臂梁整体尺寸，温度变化时，与悬臂梁共同作用产生静态弯曲量；

惠斯通电桥，包括至少一个U型可变压阻，所述U型可变压阻与所述金属层没有接触，该可变压阻位于所述悬臂梁的固定端应力最大处，用于将所述静态弯曲量转换为电信号；

所述U型可变压阻的单边在悬臂梁上的长度a和在基板上的长度n的大小，使所述U型可变压阻的阻值变化率最大；

所述长度a为a²+2na-2nL＝0的整数解，其中，L为所述悬臂梁的长度，所述长度n为满足工艺要求的最小值。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述U型可变压阻的宽度W_U的大小，使温度漂移现象最小化。

3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，

所述宽度W_U为：

其中，R_方为方块电阻的大小，U为施加在所述惠斯通电桥的电压，I为电流，c为所述U型可变压阻的两条单边之间连接部分的长度。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述惠斯通电桥还包括U型电阻、电学传输线和外接电极阵列，所述U型可变压阻、所述U型电阻以及所述外接电极阵列通过所述电学传输线相互连接；所述外接电极阵列用于与外部电路的连接。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述金属层的材料为金和/或铝，形状为三角形、矩形、圆形或弧形。

6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述悬臂梁结构由SOI基片的顶层硅制成，形状为矩形、T型、双端固支中任意一种。

7.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述谐振腔在厚度方向贯穿整个基板，所述基板为SOI基片。

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