CN2049351U - 十字梁岛结构的硅力传感器 - Google Patents

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王言
鲍敏杭
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Abstract

本实用新型属半导体力传感器领域，包括硅膜芯片、力敏器件、陶瓷管座、玻璃底板几个部分。其中硅膜芯片设计成十字梁岛结构形式，力敏器件设置在应变梁接近边框的端点处，用半导体离子注入工艺制作。与通常的力传感器相比，本器件体积小，灵敏度高，而且稳定性、一致性也好，成本也较低。可广泛应用于小量程范围的力的测量、医用脉波测量等领域。

Description

本实用新型属半导体力传感器领域，是一种硅膜芯片为十字梁、岛结构的力传感器。
在已有的力传感器，一般采用悬臂梁结构。这种结构，加工工艺比较复杂，梁和支架的连接也比较困难。梁上的力敏器件往往是用特种胶粘贴上去的电阻应变片，这样，由于梁、应变片、胶粘剂和边框支架的材料种类不同，它们的温度系数也不可能完全相同，这不利于传感器性能保持稳定，特别是影响温度稳定性和长期时漂。这种传感器体积较大，使用寿命较短，一致性较差，成本比较高。
本实用新型对现有的力传感器结构加以改进，提出了一种器件体积小，稳定性好，使用寿命长，成本比较低的硅力传感器。
新的力传感器包括硅膜芯片、力敏电阻、陶瓷管座、玻璃底板几个部分。其中硅膜芯片的结构设计如下：（1）芯片为十字梁岛形式。即芯片的中心部位是一个正方形硅岛，其边长为芯片线度的1／4～1／2，硅岛四边中点部位延伸出四条硅梁（应变梁），构成十字形，四条梁分别与芯片的四周边框连接。梁的大小的设计原则为，对灵敏度要求较高的力传感器，可将梁取得长些、薄些，对灵敏度要求不高的力传感器，可将梁取得短些、厚些，如果为了获得器件高的灵敏度，对梁的宽度设计，在能容得下力敏电阻的前提下，越窄越好。具体的说，应变梁大小的取值范围为：梁的长度为硅岛边长的1／10～1／2，厚度为硅岛厚度的1／10～1／2，梁的宽度为梁长度的1／10～1／2。（2）力敏器件设置在应变梁接近边框的端点处，它可以为四端力敏元件，也可以为四个力敏电阻组成的力敏全桥。（3）硅岛的厚度要比芯片边框的厚度略小些，相差范围为2－30微米，具体根据器件结构参数和量程确定。这样的设计使硅岛底部比边框底部略高，与玻璃底板间有一些空隙，当外力从正面作用于硅岛上时，岛将向下略有位移。当外力超过一定量时，岛与底板相抵，从而实现过载保护。
附图1为力传感器的硅膜芯片结构平面示意图。图2中的（a）、（b）、（c）分别为硅膜芯片在A－A′、B－B′、C－C′处的剖示图。图3为力传感器的结构示意图。其中，1为硅膜芯片，2为硅岛，3为硅梁，4为力敏电阻，5为芯片边框，6为管座，7为玻璃底板。
本力传感器的芯片设计示例：芯片面积为5×6平方毫米，厚度为220微米，硅岛边长取2毫米，厚度200微米，硅梁长取700微米，宽取267微米，厚取100微米，敏感元件采用四端力敏电阻。本力传感器的实施如下：选用（001）晶面的抛光硅片，用硅材料腐蚀工艺从背面两次腐蚀，得硅岛2，将硅岛的底部腐蚀去一薄层，用作过载保护；从正面腐蚀穿硅片，形成四条硅梁3；采用常规的半导体离子注入工艺，在梁的近端点处制作力敏电阻4，电阻端头用浓栅和金属布线连接和引出。将芯片1用静电键合在装有陶瓷管座6的特种玻璃做成的底板7上。芯片和管座间用金丝或铅丝压焊连接。再测试、封装，即得所需的力传感器（参见附图2）。
由于本力传感器的芯片采用十字梁、岛结构，可缩小器件体积，提高器件的灵敏度。同时，这种结构便于采用集成电路工艺，从而使力传感器的应变梁、边框、硅岛、力敏电阻可在同一芯片上形成，不存在前面所说的不同材料之间的不匹配问题，有利于提高的器件的稳定性、一致性和使用寿命，有利于降低成本。
本实用新型可应用于小量程力或重量的测量（例如制作小量程电子称）、医用脉波测量等，也可以用于加速度的测量。

Claims (1)

  1. 一种半导体力传感器，由硅膜芯片、力敏电阻、陶瓷管座、玻璃底板几个部分组成，其特征在于：
    (1)所说的硅膜芯片为十字梁、岛结构：
    (a)硅岛为正方形，边长为芯片线度的1/4～1/2，
    (b)硅岛四边中点部位与芯片边框有四条硅梁连接，硅梁长度为硅岛边长的1/10～1/2，厚度为硅岛厚度的1/10～1/2，宽度为其长度的1/10～1/2；
    (2)力敏电阻设置在硅梁接近边框的端点处；
    (3)硅岛厚度比芯片边框的厚度小2～30微米，以形成过载保护。
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