CN206420436U - 带cmos温度传感器的温度补偿型半导体应变计 - Google Patents

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邱华诚
李绪国
王雄
袁明权
张凤田
高扬
郭海潮
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本实用新型属于半导体应变测试技术领域,具体涉及一种带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计。包括:由四个压敏电阻组成的应变敏感器件,四个压敏电阻尺寸相同,相互连接并组建Wheatstone全桥;由两个CMOS晶体管组成的温度敏感器件,两个CMOS晶体管尺寸相同,位于Wheatstone全桥的四个压敏电阻中间;CMOS晶体管和Wheatstone全桥共用一个恒压激励源,且其负激励端接地,两个CMOS晶体管的基极直接连至全桥输入端的接地端,两个CMOS晶体管的集电极均由外部固定电阻连接至恒压激励源,且这两个外部固定电阻阻值不同。本实用新型通过用不同的驱动电流驱动两个相邻且等尺寸的晶体管,消除因晶体管各项寄生物理量及工艺偏差等引起的误差,从而增加了测量温度的精准度。

Description

带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计
技术领域
[0001] 本实用新型属于半导体应变测试技术领域,具体涉及一种带CMOS温度传感器的温 度补偿型半导体应变计。
背景技术
[0002] 应变计能够有效测量机械应力或应变,在航空、航天、化工、机械、建筑以及交通等 各个领域得到了广泛应用,常用于制作各种应力、力、压力、扭矩等各种物理量的测量。半导 体应变计是一种常见的且广泛应用的应变计之一,其以半导体晶体材料的压阻效应为基 础,具有灵敏度高、动态响应好等特点。早期的半导体应变计称为体型半导体,它由半导体 硅、锗等晶体材料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。体型半导体应变计与扩散型半导体应变计的 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。半导体应变计具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高等优点,但 其最大的缺点是易受温度变化的影响,且通常情况下温度影响远大于待测应变的影响。
[0003] 为了准确测量应变量,必须对应变计的温度输出进行补偿。一种常用的温度补偿 方法是使用至少两个应变计并合理布置其位置,通过组建Wheatstone电桥的方法补偿温度 输出;另一种方式则是使用额外的温度传感器测量应变计所处位置附近的温度,根据温度 传感器的数据对应变计的输出进行修正。然而在高精度的应变测量领域,两种方法都具有 一定的局限性。对于第一种方法,当实际采用Wheatstone全桥进行应变测量时,因制作工艺 和应变计安装误差的影响,片上四个电阻的阻值和温度系数都不可能绝对一致(受温度影 响而导致的变化量不可能绝对一致),所以桥路存在无法消除的零点误差和温度漂移。而对 于第二种方法,不但因增加额外的温度传感器使得应变计难以单片集成,而且温度传感器 所测温度与传感器的工作温度存在一定偏差,由此产生的误差补偿算法可能无法补偿。
[0004] 半导体应变计易受温度影响的缺点是制约其在实际工程中使用和进一步发展的 瓶颈问题之一。为了对半导体应变计的温度漂移(零点漂移和灵敏度漂移)进行高精度补 偿,需综合应用上述两种温度补偿方法。此外,为了准确测量应变敏感器件的温度,在应变 计片上集成温度敏感器件,并尽量减小应变敏感器件与温度敏感器件之间的温差。
发明内容
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计, 以克服现有技术存在的缺陷。
[0006] 为达到上述目的,本实用新型所采取的技术方案为:
[0007] —种带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,包括:由四个压敏电阻组成 的应变敏感器件,四个压敏电阻尺寸相同,相互连接并组建Wheatstone全桥;由两个CMOS晶 体管组成的温度敏感器件,两个CMOS晶体管尺寸相同,位于Wheatstone全桥的四个压敏电 阻中间;CMOS晶体管和Wheatstone全桥共用一个恒压激励源,且其负激励端接地,两个CMOS 晶体管的基极直接连至全桥输入端的接地端,两个CMOS晶体管的集电极均由外部固定电阻 连接至恒压激励源,且这两个外部固定电阻阻值不同。
[0008] 所述应变敏感器件和温度敏感器件均集成在半导体材料的应变计基底上。
[0009] 所述应变计基底的材料选用高阻η型硅晶片。
[0010] 所述应变敏感器件和温度敏感器件均由离子掺杂或扩散工艺制作。
[0011] 应变敏感器件和温度敏感器件的输出信号依次经过信号放大器、信号缓冲器、模 拟信号-数字信号转换器转换后,处理器根据存储器内预先校准的补偿系数,对应变计的温 度输出进行补偿。
[0012] 所述信号缓冲器为放大器、信号隔绝器或电压跟随器。
[0013] 本实用新型所取得的有益效果为:
[00Μ] 1、应变计的表头集成了温度敏感器件,所用器件少且无需安装额外的温度传感 器。2、应变计的应变敏感器件和温度敏感器件均采用标准CMOS工艺,不仅减少应变计制作 工艺的复杂程度,还能降低封装价格,实现低成本的大批量生产,从而具有更强的市场竞争 能力。3、CM0S集成温度传感器具有低电源、低功耗、芯片占用面积小、与标准工艺兼容、并易 于在同一芯片上进行信号调节和信号处理的优点。4、与分立元件相比,集成电路中的元件 具有良好的对称性。由于元件在同一硅片上用相同的工艺制造,所以它们的性能比较一致; 而且由于元件密集使环境温度差别很小,所以同类元件温度对称性比较好。5、CM0S晶体管 置于组建Wheatstone电桥的四个压敏电阻的中央位置,以测量的温度为四个压敏电阻的平 均温度。故在有温度梯度情况下,减小了因四个电阻的温度差异而导致的补偿误差。6、通过 用不同的驱动电流驱动两个相邻且等尺寸的晶体管,以消除因晶体管各项寄生物理量及工 艺偏差等引起的误差,从而增加了测量温度的精准度。
附图说明
[0015] 图1为带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计半剖图,其中应变计上表面 的四周为组建Wheatstone全桥的压敏电阻,中间位置为CMOS晶体管;
[0016] 图2为结合了外围信号处理电路的应变计温度补偿方法示意图;
[0017] 图中:1、应变计基底;101〜104、Wheatstone全桥引线电极;201〜206、CM0S晶体管 引线电极;211〜215、制作CMOS晶体管的掺杂区;11〜12、信号放大器;13〜14、信号缓冲器; 15、模拟信号-数字信号转换器(ADC),16、存储器;17、处理器;Rl〜R4、构成应变计片上 Wheat s tone电桥的四个敏感电阻;R5〜R6、夕卜围电路中两个阻值不同的固定电阻。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
[0019] 如图1、图2所示,本实用新型所述带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计 包括:(1)由四个压敏电阻Rl〜R4组成的应变敏感器件。四个压敏电阻Rl〜R4尺寸相同、相 互连接并组建Wheatstone全桥,全桥的激励源为恒压源激励且其负激励端接地。
[0020] (2)由两个CMOS晶体管组成的温度敏感器件。两个CMOS晶体管尺寸相同,位于 Wheatstone全桥的四个压敏电阻Rl〜R4中间;两个CMOS晶体管的基极直接连至全桥输入端 的接地端。
[0021] 所述应变敏感器件和温度敏感器件均集成在半导体材料的应变计基底1之上。所 述应变敏感器件和温度敏感器件均由离子掺杂或扩散工艺制作。
[0022] CMOS晶体管和Wheatstone全桥共用一个恒压电源。两个CMOS晶体管集电极均由外 部固定电阻R5〜R6连接至恒压电源,且这两个外部固定电阻R5〜R6阻值不同。温度补偿算 法由处理器17完成,应变敏感器件和温度敏感器件的输出信号依次经过信号放大器11〜 12、信号缓冲器13〜14、模拟信号-数字信号转换器15转换后,处理器17根据存储器16内预 先校准的补偿系数,对应变计的温度输出进行补偿。
[0023] 应变计基底1的材料可选用高阻η型娃晶片。图1中展示了组建Wheatstone全桥的 四个等尺寸的敏感电阻(R1,R2,R3和R4)中的其中三个电阻,这四个敏感电阻可通过将p型 杂质定域离子注入或扩散到高阻η型硅基底上的方法制成。在四个敏感电阻(Rl〜R4)的中 间位置有两个CMOS晶体管Ql和Q2,分别为ρ+离子的基级212、η+离子的集电极211和215、η+ 呙子的发射极213和214。
[0024] 四个敏感电阻Rl〜R4相互正交并首尾相连,从而组建Wheat stone全桥,在全桥的 一端(如电极111)上施加恒定电压,而将全桥的另一端(如电极113)接地。全桥的两个输出 端,电极112和113,引出至信号缓冲器13〜14。信号缓冲器13〜14可为放大器、信号隔绝器 或电压跟随器。
[0025] 当对全桥施加了恒定电压后,当有应变时,应变计片上全桥输出与应变大小成比 例的电压Ue。在理想情况下,如组成全桥的四个敏感电阻Rl〜R4电阻值相同且电阻温度系 数也相同,全桥的温度输出为零,即υε不包含温度输出量。但是由于工艺误差和安装等因 素,四个桥臂上的敏感电阻存在差别,故仏在实施使用过程必定受到温度的影响。这部分影 响需要CMOS温度传感器进行精细化补偿。
[0026] 在应变计的四个敏感电阻Rl〜R4中间位置制作PN结以形成双极型晶体管。双极型 晶体管对温度十分敏感、具有较好的稳定性且对应变不太敏感,若发射极电流Ie恒定,可利 用其发射极和基级间的电压Ut检测片上温度。为减小PN结的各项寄生物理量影响,采用两 个匹配的NPN型晶体管(Ql和Q2)的E-B结压降作为与温度相关的基本信号。
[0027] 由于双极晶体管的物理结构中具有两个PN结,并由于PN结的材料特性,使得晶体 管在加载正向电压时,其基-射级电压会随着温度而改变,其方程式为
[0028]
Figure CN206420436UD00051
C 1)
[0029] 上述⑴式中,Ube为基-射极电压,K为波尔兹曼常数(Boltzmann’s Constant),T为 环境温度,且其单位为凯氏(Kelvin)温度,q为电子电荷量,I。为集电极电流,Is为饱和电流。
[0030] 因此,若发射极电流U亘定,可利用其发射极和基极间的电压检测片上温度。为减 小PN结的各项寄生物理量和工艺误差的影响,可利用两个位置相邻且尺寸相同的NPN型晶 体管的EB结压降差作为与温度相关的基本信号,即
[0031]
Figure CN206420436UD00052
(2.)
[0032] 其中I^I2由外围电路给出,分别为Uin/R5和Uin/R6。故合理选择不同阻值的R5和 R6,可以准确测量温度的大小。
[0033] 为了对应变计的温度输出进行高精度的补偿,需要结合硬件电路和补偿算法对其 输出进行后处理。硬件电路主要包括CMOS晶体管的驱动电路(由信号放大器11〜12,信号缓 冲器13〜14及若干电阻R5、R6等组成)、模拟信号-数字信号转换器15、存储器16、及处理器 17等组成。
[0034] 在使用之前需应变计进行静态温度校准试验,在应变计的使用温度范围内选择若 干温度点,根据应变计的输出计算温度系数,并将系数存储于存储器16内;在考核或实际使 用过程中,通过调取存储器16内的温度系数,并通过处理器17运行温度补偿算法,可得到应 变计的温度补偿后的输出。
[0035] 静态温度校准试验一般要求在恒温条件进行,以保证应变敏感器件和温度敏感器 件的温度一致性。理论上,应变计的使用环境也应为恒温情况,否则温度补偿会导致额外的 误差。本实用新型将温度敏感器件置于Wheatstone全桥的四个压敏电阻中间位置,从而测 量四个压敏电阻的平均温度,以减小这种应变敏感器件和温度敏感器件的温差而引起的额 外误差。

Claims (6)

1. 一种带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,其特征在于:包括:由四个压敏 电阻组成的应变敏感器件,四个压敏电阻尺寸相同,相互连接并组建Wheatstone全桥;由两 个CMOS晶体管组成的温度敏感器件,两个CMOS晶体管尺寸相同,位于Wheatstone全桥的四 个压敏电阻中间;CMOS晶体管和Wheatstone全桥共用一个恒压激励源,且其负激励端接地, 两个CMOS晶体管的基极直接连至全桥输入端的接地端,两个CMOS晶体管的集电极均由外部 固定电阻连接至恒压激励源,且这两个外部固定电阻阻值不同。
2. 如权利要求1所述的带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,其特征在于:所 述应变敏感器件和温度敏感器件均集成在半导体材料的应变计基底(1)上。
3. 如权利要求2所述的带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,其特征在于:所 述应变计基底(1)的材料选用高阻η型硅晶片。
4. 如权利要求1所述的带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,其特征在于:所 述应变敏感器件和温度敏感器件均由离子掺杂或扩散工艺制作。
5. 如权利要求1所述的带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,其特征在于:应 变敏感器件和温度敏感器件的输出信号依次经过信号放大器、信号缓冲器、模拟信号-数字 信号转换器转换后,处理器根据存储器内预先校准的补偿系数,对应变计的温度输出进行 补偿。
6. 如权利要求5所述的带CMOS温度传感器的温度补偿型半导体应变计,其特征在于:所 述信号缓冲器为放大器、信号隔绝器或电压跟随器。
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CN109342251A (zh) * 2018-12-06 2019-02-15 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种用于应变量采集系统的自动校准装置及方法

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