CN214843003U - 温度补偿型半导体应变计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及温度补偿型半导体应变计，包括串联连接的压敏电阻应变模块A和负温度系数电阻NTC，所述压敏电阻应变模块A包括矩形的基板，所述基板上设置有4个相同的PAD区域和4个相同的压敏电阻区，4个压敏电阻区呈田字形分布，4个PAD区域分别位于该田字的四条边的中点处，所述压敏电阻区内设置有呈矩形波形的压敏电阻，所述压敏电阻的两端与相邻两PAD区域相连。本实用新型将压敏电阻进行合理布局，减小电阻间的温差，从而减小半导体应变计在温度梯度场的温度漂移；通过串联NTC电阻，降低半导体应变计灵敏度温度漂移，从而提高了灵敏度和精准度。

Description

温度补偿型半导体应变计

技术领域

本实用新型涉及应变计领域，尤其是一种温度补偿型半导体应变计。

背景技术

过去、现在乃至未来，航空航天领域一直都是世界各国积极大力研究的焦点，而“起飞”前的超高声速风洞试验是不可或缺的版块。风洞测试是现代航空航天技术发展中必须要经历的过程。飞行器装备在试飞前必须经过相应的风洞测试，以能确定其气动性能，测量出飞机模型表面的压力、压强和流场，这样一来才能够获得飞机的各种数据，包括阻力、升力、加热特性等等。通过人工模拟控制气流参数，然后结合丰富的结果反馈数据，对飞行器相应参数进行修正，得到事半功倍的效果。风洞试验或验证工程中，力学数据的获得至关重要。而应变计测试是最常用和最有效的测力手段。

应变计是进行高超声速风洞实验时，用于检测作用于飞行器模型受力的应力天平的核心元件。应变计的性能直接影响着应变天平的性能和测量结果的可靠性。目前根据敏感机理的不同，应用于应变天平的应变计主要为半导体应变计、金属箔式应变计以及新型的光纤应变计。金属箔式应变计由于应变效应是基于材料的几何尺寸改变来实现电阻变化，这意味着金属箔式应变计具有低的灵敏度度，不能进一步满足对微应变应力的测试要求。基于光纤应变计的应变天平是最近几年才发展起来的，这类应变天平突出优势是具有耐高温、抗辐射和耐腐蚀。然而，这类应变天平当前也存在准度低、技术不成熟等缺点，仍处于进一步研究。半导体应变计具有线性度高、灵敏度高、迟滞性低、体积小、耗电小和与传统半导体工艺兼容等优点；同时压阻效应与晶体的晶向、掺杂等有关，可以根据需要制成各类型半导体应变计。因此半导体应变计凭借其高精度、高灵敏度和微体积等优势，已被认为是最佳的风洞试验测力传感器。

半导体的压阻效应是源于载流子的迁移引起电阻率变化，同时温度也会影响载流子的迁移，因此半导体应变计易受温度影响，造成零点温度漂移和灵敏度温度漂移。这是其需要面临的最大挑战。引起应变计零点温漂是多方面的，如测量导线长度不一致、粘贴胶的塑形变形等，但主要来源于应变计电阻间电阻温度系数不相等和应变计与试件热膨胀系数存在差异。另外，半导体应变计的灵敏度是温度的函数，当温度变化时，会导致灵敏度的漂移。针对应变计的温度补偿主要分为硬件补偿法、自补偿法和软件补偿法三类。然而，不管如何优化工艺，电阻间均存在差异，只能一定程度降低温度漂移。故，高精度、高灵敏度的半导体应变计应从掺杂工艺、外部硬件设计角度出发。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种温度补偿型半导体应变计，改善半导体应变计出现温度漂移问题，提高半导体应变计的灵敏度和精准度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：温度补偿型半导体应变计，包括串联连接的压敏电阻应变模块A和负温度系数电阻NTC，所述压敏电阻应变模块A包括矩形的基板，所述基板上设置有4个相同的PAD区域和4个相同的压敏电阻区，4个压敏电阻区呈田字形分布，4个PAD区域分别位于该田字的四条边的中点处，所述压敏电阻区内设置有呈矩形波形的压敏电阻，所述压敏电阻的两端与相邻两PAD区域相连。

进一步地，所述压敏电阻包括若干个相同的压敏电阻单元，所述压敏电阻单元包括第一主体段、第一连接段和第二主体段，第一主体段和第二主体段分别位于第一连接段的两端且垂直于第一连接段，第一主体段和第二主体段远离第一连接段的一端设置有第二连接段，相邻两压敏电阻单元通过第二连接段相连，压敏电阻通过第二连接段与PAD区域相连。

进一步地，所述第一连接段的宽度大于第一主体段和第二主体段的宽度。

进一步地，所述第一主体段和第二主体段的宽度为0.5-100μm，第一连接段的长度为2.5-250μm，压敏电阻单元的总长度为60-6000μm

进一步地，每个压敏电阻包括0.5-20个压敏电阻单元。

进一步地，所述负温度系数电阻NTC与固定电阻Z并联后再与压敏电阻应变模块A串联连接。

进一步地，所述固定电阻Z为阻值在100-1500Ω的贴片式电阻。

进一步地，所述负温度系数电阻NTC在20℃的阻值为800-1500Ω。

进一步地，所述PAD区域内设置有金属层，所述金属层为金、银、铜、铝、镍、钛和铂中的一种或组成的合金，厚度大于或等于0.1μm。

进一步地，所述基板为硅晶圆。

本实用新型的有益效果是：本实用新型将压敏电阻进行合理布局，减小电阻间的温差，从而减小半导体应变计在温度梯度场的温度漂移；通过串联NTC电阻，降低半导体应变计灵敏度温度漂移，从而提高了灵敏度和精准度。

附图说明

图1是本实用新型的整体模块示意图；

图2是压敏电阻应变模块的示意图；

图3是压敏电阻单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本实用新型的温度补偿型半导体应变计，如图1所示，包括串联连接的压敏电阻应变模块A和负温度系数电阻NTC，负温度系数电阻NTC与固定电阻Z并联后再与压敏电阻应变模块A串联连接。负温度系数电阻NTC和固定电阻Z为半导体应变计的温度补偿元件，负温度系数电阻NTC在20℃的阻值为800-1500Ω，固定值电阻Z选用阻值为100-1500Ω，均为贴片式电阻。半导体应变计的灵敏度随温度的漂移很大，单靠通过串联固定电阻NTC后可以一定程度降低灵敏度温漂，但降低幅度很小，达不到应用要求，加入负温度系数电阻来进一步改善灵敏度漂移。负温度系数电阻NTC和固定电阻Z进行温度补偿，用于改善半导体应变计的灵敏度。

如图2所示，所述压敏电阻应变模块A包括矩形的基板3，优选为正方形，基板3采用硅晶圆，兼容半导体流片工艺。具体材质可以是单晶硅或多晶硅中的一种。

所述基板3上设置有4个相同的PAD区域1和4个相同的压敏电阻区2，4个压敏电阻区2呈田字形分布，4个PAD区域1分别位于该田字的四条边的中点处，所述压敏电阻区2内设置有呈矩形波形的压敏电阻，所述压敏电阻的两端与相邻两PAD区域1相连。

PAD区域1内设置有PAD端口，具体地，所述PAD区域1内设置有导电性良好的金属层，所述金属层为金、银、铜、铝、镍、钛和铂中的一种或组成的合金层，厚度大于或等于0.1μm。PAD区域1起到与温度补偿段(负温度系数电阻NTC和固定电阻Z)和应用端互联的作用。压敏电阻区2为传感模块，其阻值随形状变化而变化，从而在桥式电路的PAD端口形成电势差输出，起到应变作用。每个压敏电阻区2整体呈矩形，可以是正方形，4个压敏电阻区2内的压敏电阻分别为图2所示的R1、R2、R3和R4，其中，压敏电阻R1与压敏电阻R3相对于基板3的中心呈中心对称，压敏电阻R2与压敏电阻R4相对于基板3的中心呈中心对称。

四个形状完全相同的压敏电阻呈矩形波型，彼此间非常紧凑，几乎占据了整个半导体应变计表面，这样的设计最大程度降低了压敏电阻间的温差。当半导体应变计处于热流场中时，假如热流从R3和R4向R1和R2方向流动，热流流动方向上的压敏电阻R1和R4间及R3和R2间存在温度差，但垂直于热流流动方向上的压敏电阻R3和R4间及R1和R2间平均温度基本相等。这样保证了R3＝R4和R1＝R2，从而实现了处于热流场中应变计的温度自补偿。

所述压敏电阻包括若干个相同的压敏电阻单元，如图3所示，所述压敏电阻单元包括第一主体段21、第一连接段22和第二主体段23，第一主体段21和第二主体段23分别位于第一连接段22的两端且垂直于第一连接段22，第一主体段21和第二主体段23远离第一连接段22的一端设置有第二连接段24，相邻两压敏电阻单元通过第二连接段24相连，压敏电阻通过第二连接段24与PAD区域1相连。每个压敏电阻具体可以包括0.5-20个压敏电阻单元，满足流片工艺最小线宽要求即可。

压敏电阻单元的尺寸与其数量有关，具体地，所述第一主体段21和第二主体段23的宽度W2为0.5-100μm，第一连接段22的长度W1为2.5-250μm，压敏电阻单元的总长度L为60-6000μm。此外，第一连接段22的宽度大于第一主体段21和第二主体段23的宽度W2，通过对第一连接段22进行了加宽，以降低拐弯处带来的负压阻效应。

本实用新型应变计的制造方法为：采用硅晶圆作为基板3，先对硅晶圆进行半导体工艺流片形成四个桥式对称的压敏电阻区2，以P型离子掺杂的N型硅为衬底，四个压敏电阻区2的掺杂浓度为1.793×10¹⁹/cm³。接着在晶圆上溅射或蒸镀上pad区1，该区可以是金、银、铜、铝、镍、钛和铂中的一种或组成的合金。然后，对应变模块进行温度补偿，具体连接方式为直接串联NTC电阻或将NTC电阻与一固定电阻并联后再与应变计进行串联。另外，应变计需要采用胶粘贴于试件表面，试件的形变通过胶传递到半导体应变计。不同的粘贴工艺，获得不同输出。粘贴工艺直接影响着半导体应变计的性能，具体采用353ND光纤胶或高温陶瓷胶中的一种。

本实用新型通过改善压敏电阻的形状和布局，实现了处于热流场中应变计的温度自补偿，减小电阻间的温差，从而减小半导体应变计在温度梯度场的温度漂移，提高了测量的灵敏度和精准度。

本应变计的制备工艺可基于现有成熟商用0.5μm平台进行工艺开发、质量验证和质量监控，最终在N型高阻衬底硅片上进行P型杂质离子注入完成半导体应变计流片。优异的工艺兼容性，保证了流片稳定可靠性，确保片子的一致性，不仅降低整个制备过程的复杂性，还能保证经济效益，具有大批量生产的市场前景。通过进行高掺杂，减小电阻温度系数和灵敏度温度系数，从而减小温度漂移。

本实用新型采用线性度和灵敏度更高的全桥电路，并且串联NTC电阻改善半导体载流子漂移带来的温度漂移问题，很大程度上改善半导体应变计的零点漂移与灵敏度漂移，相比较补偿前的灵敏度温度漂移降低一个数量级。

本实用新型选择353ND光纤胶和高温陶瓷胶连接试件和半导体应变计，通过设计粘贴工艺，加载测试各温度下的半导体应变计，研制的半导体应变计具有高的灵敏度、高的线性度、高的重复性、低的迟滞性和低的零点温漂。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.温度补偿型半导体应变计，其特征在于：包括串联连接的压敏电阻应变模块A和负温度系数电阻NTC，所述压敏电阻应变模块A包括矩形的基板(3)，所述基板(3)上设置有4个相同的PAD区域(1)和4个相同的压敏电阻区(2)，4个压敏电阻区(2)呈田字形分布，4个PAD区域(1)分别位于该田字的四条边的中点处，所述压敏电阻区(2)内设置有呈矩形波形的压敏电阻，所述压敏电阻的两端与相邻两PAD区域(1)相连。

2.如权利要求1所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述压敏电阻包括若干个相同的压敏电阻单元，所述压敏电阻单元包括第一主体段(21)、第一连接段(22)和第二主体段(23)，第一主体段(21)和第二主体段(23)分别位于第一连接段(22)的两端且垂直于第一连接段(22)，第一主体段(21)和第二主体段(23)远离第一连接段(22)的一端设置有第二连接段(24)，相邻两压敏电阻单元通过第二连接段(24)相连，压敏电阻通过第二连接段(24)与PAD区域(1)相连。

3.如权利要求2所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述第一连接段(22)的宽度大于第一主体段(21)和第二主体段(23)的宽度。

4.如权利要求2或3所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述第一主体段(21)和第二主体段(23)的宽度为0.5-100μm，第一连接段(22)的长度为2.5-250μm，压敏电阻单元的总长度为60-6000μm。

5.如权利要求2所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：每个压敏电阻包括0.5-20个压敏电阻单元。

6.如权利要求1、2或3所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述负温度系数电阻NTC与固定电阻Z并联后再与压敏电阻应变模块A串联连接。

7.如权利要求6所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述固定电阻Z为阻值在100-1500Ω的贴片式电阻。

8.如权利要求1所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述负温度系数电阻NTC在20℃的阻值为800-1500Ω。

9.如权利要求1所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述PAD区域(1)内设置有金属层，所述金属层为金、银、铜、铝、镍、钛和铂中的一种或组成的合金，厚度大于或等于0.1μm。

10.如权利要求1所述的温度补偿型半导体应变计，其特征在于：所述基板(3)为硅晶圆。

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