KR20220030901A - 스트레인 게이지 및 스트레인 측정 조립체 - Google Patents

스트레인 게이지 및 스트레인 측정 조립체 Download PDF

Info

Publication number
KR20220030901A
KR20220030901A KR1020210115418A KR20210115418A KR20220030901A KR 20220030901 A KR20220030901 A KR 20220030901A KR 1020210115418 A KR1020210115418 A KR 1020210115418A KR 20210115418 A KR20210115418 A KR 20210115418A KR 20220030901 A KR20220030901 A KR 20220030901A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
resistor
strain gauge
conductive shield
insulating element
silicon substrate
Prior art date
Application number
KR1020210115418A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102560056B1 (ko
Inventor
제임스 호프만
데이비드 에릭 와그너
김영덕
Original Assignee
메저먼트 스페셜티스, 인크.
타이코에이엠피 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 메저먼트 스페셜티스, 인크., 타이코에이엠피 주식회사 filed Critical 메저먼트 스페셜티스, 인크.
Publication of KR20220030901A publication Critical patent/KR20220030901A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102560056B1 publication Critical patent/KR102560056B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/552—Protection against radiation, e.g. light or electromagnetic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

스트레인 게이지(200)는 도핑된 실리콘 재료로 형성된 저항기(250), 도전성 실드(260), 및 저항기(250)와 도전성 실드(260) 사이에 배치된 절연 소자(270)를 포함한다. 절연 소자(270)는 저항기(250)를 도전성 실드(260)로부터 전기적으로 절연시킨다.

Description

스트레인 게이지 및 스트레인 측정 조립체{STRAIN GAUGE AND STRAIN MEASUREMENT ASSEMBLY}
본 발명은 스트레인 게이지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압저항기를 포함하는 스트레인 게이지에 관한 것이다.
반도체 실리콘 스트레인 게이지는 압저항 효과로 작동하여 기계적 스트레인이 가해질 때 비저항이 변한다. 스트레인 게이지 양단의 전압을 측정하여 반도체 실리콘 스트레인 게이지가 부착된 물체의 스트레인을 결정한다.
그러나 반도체 실리콘 스트레인 게이지는 외부 전계와 이동 이온의 영향을 받는다. 이동 이온은 스트레인 게이지가 생산되거나 게이지가 설치될 때 생성되며 일반적으로 스트레인 게이지를 사용하기 전에 무작위로 분포된다. 스트레인 게이지를 사용하면 이동 이온이 전압 전위의 역방향으로 모인다. 이온 이동은 바이어스 전압에 의해 그리고 고온 또는 다습을 수반하는 응용분야에 의해 가속화된다. 이동 이온이 집중적으로 모이면 누설 전류 경로를 형성하고 특히 높은 전위 영역에서 스트레인 게이지의 저항을 변화시킨다. 외부 전계 전하의 변화 역시 스트레인 게이지의 저항을 변화시킬 수 있다. 외부 전계 또는 이동 이온으로 인한 스트레인 게이지의 저항 변화는 드리프트, 불안정성 및 기타 형태의 잘못된 스트레인 측정으로 이어질 수 있다.
스트레인 게이지는 도핑된 실리콘 재료로 형성된 저항기, 도전성 실드, 및 저항기와 도전성 실드 사이에 배치된 절연 소자를 포함한다. 절연 소자는 저항기를 도전성 실드로부터 전기적으로 절연시킨다.
이제 첨부도면을 참조하여 예로써 본 발명을 설명할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 스트레인 측정 조립체의 개략 측면도이고,
도 2는 하프 브리지로서 형성된 실시예에 따른 스트레인 게이지의 평면도이며,
도 3은 도 2의 스트레인 게이지의 개략 단면도이고,
도 4는 도 3에 수직인 방향에 따른 도 2의 스트레인 게이지의 개략 단면도이며,
도 5는 다른 실시예에 따른 스트레인 게이지의 개략 단면도이고,
도 6은 풀 브리지로서 형성된 실시예에 따른 스트레인 게이지의 평면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 개시의 예시적인 실시예를 상세히 설명하며, 유사한 도면부호는 유사한 구성요소를 지칭한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에 기술된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 본 개시의 개념을 통상의 기술자에게 전달하도록 제공된다. 또한, 다음의 상세한 설명에서, 설명 목적으로, 개시된 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부사항이 기술된다. 그러나, 하나 이상의 실시예가 이러한 구체적인 세부사항 없이도 구현될 수 있음은 명백하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 스트레인 측정 조립체(10)는 힘 응답 부재(100), 스트레인 게이지(200), 및 스트레인 게이지(200)를 힘 응답 부재(100)에 부착하는 부착 재료(300)를 포함한다. 가해진 힘의 결과로서 힘 응답 부재(100)의 스트레인이 스트레인 게이지(200)에 의해 측정되고 출력된다.
힘 응답 부재(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 길이방향(L)을 따라 연장된다. 힘 응답 부재(100)는 굴곡성 재료로 만들어지며, 굴곡성 재료의 구부러짐은 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 스트레인 게이지(200)에 의해 측정된다. 일 실시예에서, 힘 응답 부재(100)의 굴곡성 재료는 스테인리스 스틸과 같은 금속일 수 있다. 다른 실시예에서, 굴곡성 재료는 가해진 힘 하에서 구부러지고 본 명세서에 설명된 스트레인 게이지(200)에 부착될 수 있는 임의의 재료일 수 있다.
부착 재료(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 길이방향(L)에 수직인 높이방향(H)으로 힘 응답 부재(100)와 스트레인 게이지(200) 사이에 위치된다. 부착 재료(300)는 액체 상태에서 힘 응답 부재(100)와 스트레인 게이지(200) 사이에 도포되고 경화 상태에서 경화되어 스트레인 게이지(200)를 힘 응답 부재(100)에 고정시킨다. 다양한 실시예에서 부착 재료(300)는 유리, 에폭시 또는 중합체 재료일 수 있다. 다른 실시예에서, 부착 재료(300)는 스트레인 게이지(200)를 힘 응답 부재(100)에 부착하고 힘 응답 부재(100)의 스트레인을 스트레인 게이지(200)에 전달할 수 있는 임의의 재료일 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 스트레인 게이지(200)는 하프 휘트스톤 브리지(half Wheatstone bridge)(210)(본 명세서에서 "하프 브리지"로도 지칭됨)로서 형성된다. 하프 브리지(210)는 한 쌍의 저항 섹션(212) 및 복수의 접촉 패드(220)를 갖는다. 저항 섹션(212) 중 하나는 접촉 패드(220)의 제1 접촉 패드(222)와 접촉 패드(220)의 제2 접촉 패드(224) 사이에서 연장된다. 저항 섹션(212) 중 다른 하나는 제2 접촉 패드(224)와 제3 접촉 패드(226) 사이에서 연장된다. 복수의 중간 접촉 패드(228)가 저항 섹션(212) 각각에 위치된다.
접촉 패드(220) 각각은 도전성 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 접촉 패드(220) 각각은 알루미늄 또는 금 합금과 같은 금속 재료로 형성된다. 다른 실시예에서, 접촉 패드(220)는 와이어 본딩 가능한 임의의 다른 도전성 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 스트레인 게이지(200)의 접합 절연 적층 구조가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 본 실시예의 적층 구조는 도 2의 선 3-3에 따른 단면에서 예시적으로 취한 것이지만, 2개의 접촉 패드(220) 사이에서 길이방향(L)을 따라 연장되는 스트레인 게이지(200)의 모든 부분에 동일하게 적용된다. 도 4에 도시된 본 실시예의 적층 구조는 도 2의 선 4-4에 따른 단면에서 예시적으로 취한 것이지만, 스트레인 게이지(200)의 모든 유사한 부분에 동일하게 적용된다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 스트레인 게이지(200)는 실리콘 기판(240), 실리콘 기판(240)에 배치된 저항기(250), 도전성 실드(260), 저항기(250)와 도전성 실드(260) 사이에 배치되고 저항기(250)를 도전성 실드(260)로부터 전기적으로 절연시키는 절연 소자(270), 실리콘 기판(240)에 배치된 가드 링(280), 및 패시베이션(passivation) 층(290)을 포함한다.
일 실시예에서, 실리콘 기판(240)은 n형 도핑된 실리콘 재료를 형성하도록 도핑된 단결정 실리콘으로 형성된다. n형 도핑은 실리콘 기판(240)의 단결정 실리콘에 인을 도핑하여 형성된다. 다른 실시예에서, n형 도핑은 비소, 안티몬, 비스무트, 리튬, 또는 실리콘 구조의 n형 도핑에 사용되는 임의의 다른 원소로 도핑함으로써 형성될 수 있다. n형 도핑은 이온 주입, 에피택셜 성장, 또는 이들의 임의의 조합으로 수행될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서 저항기(250)는 실리콘 기판(240)의 실리콘 재료의 일부를 도핑하여 형성된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 저항기(250)는 실리콘 기판(240)의 p형 도핑 섹션(242)에 의해 형성된다. p형 도핑 섹션(242)은 실리콘 기판(240)에 붕소를 도핑하여 형성된다. 다른 실시예에서, p형 도핑은 갈륨, 인듐, 알루미늄, 또는 실리콘 구조의 p형 도핑에 사용되는 임의의 다른 원소로 도핑함으로써 형성될 수 있다. p형 도핑은 이온 주입 및/또는 확산으로 수행될 수 있다.
저항기(250)는 도 3에 도시된 바와 같이 상부면(254) 및 높이방향(H)으로 상부면(254)의 반대편에 있는 하부면(256)을 갖는다. 저항기(250)는 길이방향(L)으로 서로의 반대편에 있고 측방향(T)으로 서로의 반대편에 있으며, 높이방향(H)으로 연장되고, 하부면(256)과 상부면(254)을 연결하는 복수의 측면(258)을 갖는다. 도 4에 도시된 측방향(T)은 길이방향(L)과 높이방향(H) 양쪽 모두에 수직이다.
도전성 실드(260)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 도전성 실드(262) 및 제2 도전성 실드(268)를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 도전성 실드(262)는 실리콘 기판(240)에 추가적으로 n형 도핑을 하여 제1 n+형 고농도 도핑 섹션(248)을 형성함으로써 형성된다. 다른 실시예에서, 제1 도전성 실드(262)는 실리콘 기판(240)과 별개인 금속 층(266)으로부터 형성된다. 금속 층(266)은 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 크롬, 폴리실리콘 또는 도전성이 높은 임의의 다른 금속 재료로부터 형성될 수 있다. 제2 도전성 실드(268)는 실리콘 기판(240)과 별개의 소자이고, 별도의 n+형 고농도 도핑 실리콘 기판, 금속 층(266)과 유사한 금속 층, 또는 임의의 다른 도전성 재료로서 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 절연 소자(270)는 제1 절연 소자(272) 및 제2 절연 소자(276)를 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 절연 소자(272)는 p형 도핑 섹션(242)을 형성한 후에, 그리고 일 실시예에서는 제1 n+형 고농도 도핑 섹션(248)을 형성한 후에, 남아 있는 실리콘 기판(240)의 n형 도핑 섹션(244)에 의해 형성된다. 실리콘 기판(240)의 n형 및 p형 도핑은 저항기(250)의 p형 도핑 섹션(242)과 제1 절연 소자(272)를 형성하는 n형 도핑 섹션(244) 사이의 경계에서 p-n 접합(246)을 형성한다. n형 도핑 섹션(244)은 인가된 바이어스 전압 하에서 제1 절연 소자(272)로서 작용한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 저항기(250) 및 제1 절연 소자(272)는, 그리고 일 실시예에서는 제1 도전성 실드(262)도, 단일 실리콘 기판(240) 내에 형성된다. 제1 절연 소자(272)는 저항기(250)의 하부면(256) 및 복수의 측면(258)을 둘러싼다. 제1 절연 소자(272)는 높이방향(H)으로 저항기(250)와 제1 도전성 실드(262) 사이에 위치되고, 제1 도전성 실드(262)가 제1 n+형 고농도 도핑 섹션(248)으로부터 형성되든 금속 층(266)으로부터 형성되든 간에, 제1 절연 소자(272)는 저항기(250)를 제1 도전성 실드(262)로부터 전기적으로 절연시킨다. 제1 도전성 실드(262)는 각각의 실시예에서 저항기(250)의 반대편에 있는 제1 절연 소자(272)의 일측에 배치된다. 제1 도전성 실드(262)가 금속 층(266)으로부터 형성되는 실시예에서, 실리콘 기판(240)은 금속 층(266) 위에 위치된다.
제2 절연 소자(276)는 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(240)과 별개의 소자이며 유전체 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 제2 절연 소자(276)는 이산화규소 같은 산화물 또는 질화규소로 형성된다. 다른 실시예에서, 제2 절연 소자(276)는 본 명세서에서 설명한 인접 재료에 적합한 임의의 유전체 재료로 형성될 수 있다.
제2 절연 소자(276)는 도 3에 도시된 바와 같이 저항기(250)의 상부면(254)에 위치된다. 도 3의 실시예에서, 제2 절연 소자(276)는 실리콘 기판(240)의 전체 상부 표면 위에 위치되고 그 너머로 연장된다. 제2 도전성 실드(268)는 실리콘 기판(240)과 저항기(250)의 반대편에 있는 제2 절연 소자(276)의 일측에서 제2 절연 소자(276) 위에 위치된다. 제2 절연 소자(276)는 높이방향(H)으로 저항기(250)와 제2 도전성 실드(268) 사이에 위치되고, 저항기(250)를 제2 도전성 실드(268)로부터 전기적으로 절연시킨다.
접촉 패드(220)는 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(240) 및 저항기(250)의 반대편에 있는 제2 절연 소자(276)의 일측에서 제2 절연 소자(276) 위에 위치된다. 접촉 패드(220)는 제2 절연 소자(276)를 통과하여 연장되고 저항기(250)와 접촉하여, 저항기(250)와의 전기적 연결을 형성한다. 접촉 패드(220)는 제2 도전성 실드(268)로부터 전기적으로 절연된다.
패시베이션 층(290)은 도 3에 도시된 바와 같이 제2 도전성 실드(268)와 제2 절연 소자(276)의 일부의 위에 위치된다. 패시베이션 층(290)은 각각의 접촉 패드(220)에서 윈도우(292)를 가지며, 이를 통해 패시베이션 층(290)이 접촉 패드(220)에 개방된다. 일 실시예에서, 접촉 패드(220)에 대한 와이어 본딩은 윈도우(292)를 통해 수행된다. 패시베이션 층(290)은 제2 도전성 실드(268)에 대한 손상 및/또는 부식을 방지하는 비도전성 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 패시베이션 층(290)은 질화규소이다. 다른 실시예에서, 패시베이션 층(290)은 폴리아미드와 같은 중합체, PECVD 질화물, 또는 임의의 다른 유형의 산화물일 수 있다.
스트레인 게이지(200)의 접합 절연 적층 구조는 도 4에서 높이방향(H) 및 측방향(T)에 따른 단면으로 도시된다. 따라서 도 4에 도시된 단면은 도 3에 도시된 동일한 실시예의 단면에 수직으로 취해진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가드 링(280)은 실리콘 기판(240)에 추가적으로 n형 도핑을 하여 복수의 제2 n+형 고농도 도핑 섹션(249)을 형성함으로써 형성된다. 제2 n+형 고농도 도핑 섹션(249)은 실리콘 기판(240)의 상부 표면에서 제2 절연 소자(276)로부터 제1 도전성 실드(262)까지 높이방향(H)을 따라 연장되고, 각각의 제2 n+형 고농도 도핑 섹션(249)의 일부는 높이방향(H)을 따라 저항기(250)와 동일한 높이에 배치된다. 가드 링(280)의 제2 n+형 고농도 도핑 섹션(249)은 저항기(250)의 측면(258)으로부터 측방향(T)으로 이격된다. n형 도핑 섹션(244)으로서 형성된 제1 절연 소자(272)는 측방향(T)으로 제2 n+형 고농도 도핑 섹션(249)과 저항기(250) 사이에 위치한다. 제1 도전성 실드(262)가 제1 n+형 고농도 도핑 섹션(248)인 실시예에서, 제2 n+형 고농도 도핑 섹션(249)은 유사하게 형성된 제1 n+형 고농도 도핑 섹션(248)과 연결될 수 있다.
다른 실시예에 따른 스트레인 게이지(200')의 실리콘 온 인슐레이터(silicon-on-insulator) 적층 구조가 도 5에 도시되어 있다. 본 실시예의 적층 구조는, 도 3에 도시된 실시예와 유사하게, 도 2의 선 5-5에 따른 단면에서 예시적으로 취한 것이지만, 2개의 접촉 패드(220) 사이에서 연장되는 스트레인 게이지(200')의 모든 부분에 동일하게 적용된다. 유사한 도면부호는 유사한 구성요소를 지칭하며, 주로 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 대한 차이점을 본 명세서에서 자세히 설명한다.
도 5에 도시된 실시예에서, 스트레인 게이지(200')는 다중 도핑 섹션을 갖는 스트레인 게이지(200)의 실리콘 기판(240)을 포함하지 않는다. 저항기(250)는 대신에 개별 실리콘 층의 p형 도핑에 의해 형성된다. 개별 실리콘 층은 도핑된 영역 주변으로부터 실리콘을 제거하고 p형 도핑 실리콘 층(252)을 형성하기 위해 건식 에칭 또는 습식 에칭을 사용하여 에칭된다. p형 도핑 실리콘 층(252)으로서 형성된 저항기(250)는 상부면(254) 및 높이방향(H)으로 상부면(254)의 반대편에 있는 하부면(256)을 갖는다.
도 5에 도시된 스트레인 게이지(200')에서, 제1 도전성 실드(262)는 저항기(250)의 층과 별개인 개별 실리콘 기판을 고농도로 n-도핑함으로써 형성된다. 개별 실리콘 층은 도핑된 영역 주변으로부터 실리콘을 제거하고 n+형 고농도 도핑 실리콘 기판(264)을 형성하기 위해 건식 에칭 또는 습식 에칭을 사용하여 에칭된다. 다른 실시예에서, 제1 도전성 실드(262)는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예와 유사하게 금속 층(266)으로부터 형성될 수 있다. 제2 도전성 실드(268)는 별개의 소자이며, 별개의 n+형 고농도 도핑 실리콘 기판, 금속 층(266)과 유사한 금속 층, 또는 임의의 다른 도전성 재료로서 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 스트레인 게이지(200')에서, 제1 절연 소자(272) 및 제2 절연 소자(276)는 각각 유전체 재료로부터 개별적인 별개의 소자로서 형성된다. 일 실시예에서, 제1 절연 소자(272) 및 제2 절연 소자(276)는 각각 이산화규소 같은 산화물 또는 질화규소로 형성된다. 다른 실시예에서, 제1 절연 소자(272) 및 제2 절연 소자(276)는 각각 본 명세서에서 설명한 인접 재료에 적합한 임의의 유전체 재료로 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지(200')에서 실리콘 온 인슐레이터 적층 구조의 각 층은 별도의 층으로 형성된다. 저항기(250)의 하부면(256)은 제1 절연 소자(272) 위에 위치되고, 제1 절연 소자(272)는 제1 도전성 실드(262) 위에 및 그 너머로 위치된다. 제1 절연 소자(272)는 높이방향(H)으로 저항기(250)와 제1 도전성 실드(262) 사이에 위치되고, 제1 도전성 실드(262)가 n+형 고농도 도핑 실리콘 기판(264)으로서 형성되든 금속 층(266)으로서 형성되든 간에, 제1 절연 소자(272)는 저항기(250)를 제1 도전성 실드(262)로부터 전기적으로 절연시킨다.
제2 절연 소자(276)는 도 5에 도시된 바와 같이 저항기(250)의 상부면(254) 위에 위치되고, 제2 도전성 실드(268)는 저항기(250)의 반대편에 있는 제2 절연 소자(276)의 일측에서 제2 절연 소자(276) 위에 위치된다. 제2 절연 소자(276)는 높이방향(H)으로 저항기(250)와 제2 도전성 실드(268) 사이에 위치되고 저항기(250)를 제2 도전성 실드(268)로부터 전기적으로 절연시킨다.
접촉 패드(220)는 도 5에 도시된 바와 같이 저항기(250)의 반대편에 있는 제2 절연 소자(276)의 일측에서 제2 절연 소자(276) 위에 위치된다. 접촉 패드(220)는 제2 절연 소자(276)를 통과하여 연장되고 저항기(250)와 접촉하여, 저항기(250)와의 전기적 연결을 형성한다. 접촉 패드(220)는 제2 도전성 실드(268)로부터 전기적으로 절연된다.
패시베이션 층(290)은 도 5에 도시된 바와 같이 제2 도전성 실드(268), 제2 절연 소자(276)의 일부, p형 도핑 실리콘 층(252)의 일부, 및 제1 절연 소자(272)의 일부의 위에 위치된다. 패시베이션 층(290)은 각각의 접촉 패드(220)에서 윈도우(292)를 가지며, 이를 통해 패시베이션 층(290)이 접촉 패드(220)에 개방된다.
도 6에 도시된 다른 실시예에서, 도 3 및 도 4에 도시된 스트레인 게이지(200) 또는 도 5에 도시된 스트레인 게이지(200')는 유사하게 풀 휘트스톤 브리지(full Wheatstone bridge)(230)(본 명세서에서 "풀 브리지"로도 지칭됨)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 풀 브리지(230)는 4개의 저항 섹션(232)과 복수의 접촉 패드(220)를 갖는다. 저항 섹션(232) 중 하나는 제1 접촉 패드(222), 제2 접촉 패드(224), 제3 접촉 패드(226) 및 제4 접촉 패드(228)의 각 쌍 사이에서 연장된다. 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예의 섹션은 도 6에 표시되어 있고 저항 섹션(232) 각각에 적용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스트레인 측정 조립체(10)에 사용되는 스트레인 게이지(200)는 하프 브리지(210)로서 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 하프 브리지(210)는 전술한 스트레인 게이지(200')로서 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 스트레인 측정 조립체(10)는 하프 브리지(210) 대신에 풀 브리지(230)를 스트레인 게이지(200) 또는 스트레인 게이지(200') 중 어느 하나의 적층 구조와 함께 사용할 수 있다.
스트레인 측정 조립체(10)의 사용에서, 도 1 및 도 2에 도시된 하프 브리지(210)의 경우, 제1 접촉 패드(222)는 전압원의 제1 단자에 연결되고 제3 접촉 패드(226)는 전압원의 제2 단자에 연결된다. 예를 들어 5V의 전압이 제1 접촉 패드(222)와 제3 접촉 패드(226) 사이에 인가된다. 도 6에 도시된 풀 브리지(230)의 경우, 제1 접촉 패드(222)는 제1 단자에 연결되고 제3 접촉 패드(226)는 마찬가지로 제2 단자에 연결된다.
가해진 힘은 힘 응답 부재(100)를 구부리고 힘 응답 부재(100)에 기계적 스트레인을 유발한다. 기계적 스트레인은 부착 재료(300)를 통해 스트레인 게이지(200)로 전달된다. p형 도핑 섹션(242) 또는 p형 도핑 실리콘 층(252)에 의해 형성된 스트레인 게이지(200, 200')의 저항기(250)는 압저항기이며 기계적 스트레인이 가해지면 전기 저항이 변한다. 제3 접촉 패드(226)에서의 전압을 감지하여 하프 브리지(210)에서 힘 응답 부재(100)의 스트레인을 결정한다. 하프 브리지(210)의 중간 접촉 패드(228)는 측방향(T)으로 연장되는 스트레인 게이지(220)의 부분들을 단락시켜, 스트레인이 길이방향 축(L)을 따라 연장되는 스트레인 게이지(220)의 부분들에 의해 측정되도록 한다. 제3 접촉 패드(226) 및 제4 접촉 패드(229)에서의 전압을 감지하여 풀 브리지(230)에서 힘 응답 부재(100)의 스트레인을 결정한다.
도전성 실드(260)는 외부 전계 효과로부터 스트레인 게이지(200, 200')를 보호하고 이동 이온을 스트레인 게이지(200, 200')에서 멀리 떨어지도록 유지한다. 제1 도전성 실드(262)는 높이방향(H)으로 스트레인 게이지(200, 200')의 상부면을 외부 전계 효과 및 이동 이온으로부터 보호하는 반면, 제2 도전성 실드(268)는 높이방향(H)으로 스트레인 게이지(200, 200')의 하부면을 외부 전계 효과 및 이동 이온으로부터 보호한다. 이동 이온은 저항기(250) 양단에 동일하게 끌리고 외부 전계는 도전성 실드(260)로 인해 저항기(250)에 도달하지 않는다. 일 실시예에서, 가드 링(280)은 추가 보호를 제공하여 저항기(250)를 효과적으로 둘러싼다. 도전성 실드(260), 및 선택적인 가드 링(280)은 스트레인 게이지(200, 200')에 의해 측정된 스트레인의 안정성 및 신뢰성을 증가시킨다.

Claims (15)

  1. 도핑된 실리콘 재료로 형성된 저항기(250);
    도전성 실드(260); 및
    상기 저항기(250)와 상기 도전성 실드(260) 사이에 배치되고 상기 저항기(250)를 상기 도전성 실드(260)로부터 전기적으로 절연시키는 절연 소자(270)를 포함하는 스트레인 게이지(200).
  2. 제1항에 있어서, 상기 저항기(250) 및 상기 절연 소자(270)는 단일 실리콘 기판(240) 내에 형성되는, 스트레인 게이지(200).
  3. 제2항에 있어서, 상기 저항기(250)는 상기 실리콘 기판(240)의 p형 도핑 섹션(242)이고 상기 절연 소자(270)는 상기 p형 도핑 섹션(242)과 함께 p-n 접합(246)을 형성하는 상기 실리콘 기판(240)의 n형 도핑 섹션(244)인, 스트레인 게이지(200).
  4. 제3항에 있어서, 상기 도전성 실드(260)는 상기 단일 실리콘 기판(240) 내에 형성되고, 상기 도전성 실드(260)는 상기 실리콘 기판(240)의 n+형 고농도 도핑 섹션(248)인, 스트레인 게이지(200).
  5. 제3항에 있어서, 상기 도전성 실드(260)는 위에 상기 실리콘 기판(240)이 배치되는 금속 층(266)인, 스트레인 게이지(200).
  6. 제3항에 있어서, 상기 절연 소자(270)는 상기 저항기(250)의 하부면(256) 및 복수의 측면(258)을 둘러싸는, 스트레인 게이지(200).
  7. 제6항에 있어서, 상기 단일 실리콘 기판(240) 내에 형성된 가드 링(280)을 더 포함하고, 상기 가드 링(280)은 높이방향을 따라 상기 저항기(250)와 동일한 높이에 배치되고 상기 높이방향에 수직인 측방향으로 상기 저항기(250)의 상기 측면(258)에서 이격된 상기 실리콘 기판(240)의 n+형 고농도 도핑 섹션(249)인, 스트레인 게이지(200).
  8. 제1항에 있어서, 상기 저항기(250)는 p형 도핑 실리콘 층(252)이고, 상기 절연 소자(270)는 위에 상기 p형 도핑 실리콘 층(252)이 배치되는 산화물인, 스트레인 게이지(200).
  9. 제8항에 있어서, 상기 도전성 실드(260)는 위에 산화물이 배치되는 n+형 고농도 도핑 실리콘 기판(264)인, 스트레인 게이지(200).
  10. 제8항에 있어서, 상기 도전성 실드(260)는 위에 산화물이 배치되는 금속 층(266)인, 스트레인 게이지(200).
  11. 제1항에 있어서, 상기 절연 소자(270)는 상기 저항기(250)의 하부면(256)에 배치된 제1 절연 소자(272)와 상기 하부면(256)의 반대편에 있는 상기 저항기(250)의 상부면(254)에 배치된 제2 절연 소자(276)를 포함하는, 스트레인 게이지(200).
  12. 제11항에 있어서, 상기 도전성 실드(260)는 상기 저항기(250)의 반대편에 있는 상기 제1 절연 소자(272)의 일측에 배치된 제1 도전성 실드(262)와 상기 저항기(250)의 반대편에 있는 제2 절연 소자(276)의 일측에 배치된 제2 도전성 실드(268)를 포함하는, 스트레인 게이지(200).
  13. 제11항에 있어서, 상기 저항기(250)에 전기적으로 연결되고 상기 제2 절연 소자(276)를 통과하여 연장되는 접촉 패드(220)를 더 포함하는 스트레인 게이지(200).
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2 도전성 실드(268) 위에 위치된 패시베이션층(290)을 더 포함하는 스트레인 게이지(200).
  15. 힘 응답 부재(100);
    도핑된 실리콘 재료로 형성된 저항기(250), 도전성 실드(260), 및 상기 저항기(250)와 상기 도전성 실드(260) 사이에 배치되고 상기 저항기(250)를 상기 도전성 실드(260)로부터 전기적으로 절연시키는 절연 소자(270)를 포함하는 스트레인 게이지(200); 및
    상기 스트레인 게이지(200)를 상기 힘 응답 부재(100)에 부착하는 부착 재료(300)를 포함하는 스트레인 측정 조립체(10).
KR1020210115418A 2020-09-03 2021-08-31 스트레인 게이지 및 스트레인 측정 조립체 KR102560056B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/011,352 2020-09-03
US17/011,352 US11933683B2 (en) 2020-09-03 2020-09-03 Strain gauge and strain measurement assembly

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220030901A true KR20220030901A (ko) 2022-03-11
KR102560056B1 KR102560056B1 (ko) 2023-07-27

Family

ID=77640465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210115418A KR102560056B1 (ko) 2020-09-03 2021-08-31 스트레인 게이지 및 스트레인 측정 조립체

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11933683B2 (ko)
EP (1) EP3964789A1 (ko)
JP (1) JP7267359B2 (ko)
KR (1) KR102560056B1 (ko)
CN (1) CN114136202B (ko)
CA (1) CA3129761A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116222838B (zh) * 2023-05-09 2023-07-14 苏州亿波达光电子科技有限公司 感测元件及压力传感器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07162018A (ja) * 1993-12-13 1995-06-23 Nagano Keiki Seisakusho Ltd 半導体圧力センサ
JPH0972805A (ja) * 1995-09-06 1997-03-18 Hitachi Ltd 半導体センサ
JPH10160610A (ja) * 1996-12-02 1998-06-19 Hitachi Ltd 歪検出センサ
JP2007324566A (ja) * 2006-05-01 2007-12-13 Tanita Corp 半導体歪みゲージ及びその製造方法

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3323358A (en) * 1964-06-02 1967-06-06 Bendix Corp Solid state pressure transducer
US4320664A (en) * 1980-02-25 1982-03-23 Texas Instruments Incorporated Thermally compensated silicon pressure sensor
US4658279A (en) 1983-09-08 1987-04-14 Wisconsin Alumini Research Foundation Velocity saturated strain sensitive semiconductor devices
US5172211A (en) * 1990-01-12 1992-12-15 Paradigm Technology, Inc. High resistance polysilicon load resistor
JP3315730B2 (ja) * 1991-08-26 2002-08-19 マイクロリス、コーパレイシャン ピエゾ抵抗半導体センサ・ゲージ及びこれを作る方法
JP3124485B2 (ja) 1996-04-18 2001-01-15 セイコーインスツルメンツ株式会社 半導体歪センサおよび走査型原子間力顕微鏡用カンチレバー
EP0802394B1 (en) 1996-04-18 2003-06-11 Seiko Instruments Inc. Semiconductor distortion sensors with pn junction, scanning probe microscope
US20020003274A1 (en) 1998-08-27 2002-01-10 Janusz Bryzek Piezoresistive sensor with epi-pocket isolation
US6635910B1 (en) 1999-07-22 2003-10-21 Measurement Specialties, Inc. Silicon strain gage having a thin layer of highly conductive silicon
US6341528B1 (en) 1999-11-12 2002-01-29 Measurement Specialties, Incorporated Strain sensing structure with improved reliability
DE10032244A1 (de) 2000-07-03 2002-01-17 Siemens Ag Verfahren und Anordnung für eine Datenübertragung zwischen zwei Kommunikationseinrichtungen über ein paket-orientiertes Kommunikationsnetz
US6568276B1 (en) 2000-08-04 2003-05-27 Measurement Specialties, Inc. Strain gauge based sensor with improved linearity
JP2002162303A (ja) 2000-11-27 2002-06-07 Yokogawa Electric Corp 圧力センサ
US6952042B2 (en) * 2002-06-17 2005-10-04 Honeywell International, Inc. Microelectromechanical device with integrated conductive shield
US7069770B2 (en) * 2004-08-02 2006-07-04 Delphi Technologies, Inc. Ammonia sensor element, heater, and method for making the same
US7884432B2 (en) 2005-03-22 2011-02-08 Ametek, Inc. Apparatus and methods for shielding integrated circuitry
US7723232B2 (en) * 2005-06-30 2010-05-25 Texas Instruments Incorporated Full backside etching for pressure sensing silicon
JP2007123431A (ja) * 2005-10-26 2007-05-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
US7633373B1 (en) * 2005-12-19 2009-12-15 National Semiconductor Corporation Thin film resistor and method of forming the resistor on spaced-apart conductive pads
JP2015011013A (ja) 2013-07-02 2015-01-19 アルプス電気株式会社 物理量センサ
US9890033B2 (en) * 2015-04-06 2018-02-13 Honeywell International Inc. Silicon-on-sapphire device with minimal thermal strain preload and enhanced stability at high temperature
EP3321653B1 (en) 2015-07-07 2020-03-11 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Semiconductor device, mechanical quantity measuring device and semiconductor device fabricating method
JP6293982B2 (ja) 2015-09-30 2018-03-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 力学量測定装置
JP6881056B2 (ja) 2017-06-14 2021-06-02 富士電機株式会社 圧力センサおよび圧力センサの製造方法
EP3581903B1 (en) * 2018-06-14 2021-04-07 Melexis Technologies NV N-implant electrical shield for piezo-resistor sensor
EP3832279B1 (en) * 2019-12-06 2023-11-29 Melexis Technologies NV Semiconductor stress sensor
US20210343467A1 (en) * 2020-05-04 2021-11-04 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. High-density single-turn inductor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07162018A (ja) * 1993-12-13 1995-06-23 Nagano Keiki Seisakusho Ltd 半導体圧力センサ
JPH0972805A (ja) * 1995-09-06 1997-03-18 Hitachi Ltd 半導体センサ
JPH10160610A (ja) * 1996-12-02 1998-06-19 Hitachi Ltd 歪検出センサ
JP2007324566A (ja) * 2006-05-01 2007-12-13 Tanita Corp 半導体歪みゲージ及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114136202A (zh) 2022-03-04
KR102560056B1 (ko) 2023-07-27
EP3964789A1 (en) 2022-03-09
JP2022042992A (ja) 2022-03-15
JP7267359B2 (ja) 2023-05-01
CN114136202B (zh) 2024-05-14
US11933683B2 (en) 2024-03-19
CA3129761A1 (en) 2022-03-03
US20220065715A1 (en) 2022-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10775248B2 (en) MEMS strain gauge sensor and manufacturing method
US5231301A (en) Semiconductor sensor with piezoresistors and improved electrostatic structures
US7884432B2 (en) Apparatus and methods for shielding integrated circuitry
JP3602611B2 (ja) 横型ホール素子
EP2746799B1 (en) Semiconductor magnetic field sensors
US6915702B2 (en) Piezoresistive transducers
RU167464U1 (ru) Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления с датчиком температуры
EP2878940B1 (en) MEMS pressure sensor field shield layout for surface charge immunity in oil filled packaging
US4739381A (en) Piezoresistive strain sensing device
EP3832279B1 (en) Semiconductor stress sensor
US20150008544A1 (en) Physical quantity sensor
US5412993A (en) Pressure detection gage for semiconductor pressure sensor
EP3012649B1 (en) Vertical hall sensors with reduced offset error
US9557237B2 (en) MEMS pressure sensor field shield layout for surface charge immunity in oil filled packaging
CN104755895A (zh) 具有覆盖层的压力传感器
KR102560056B1 (ko) 스트레인 게이지 및 스트레인 측정 조립체
CN101068032B (zh) 半导体变形测量仪及其制造方法
US6510742B1 (en) Sensor formed on silicon on insulator structure and having reduced power up drift
CN115326249A (zh) 一种mems压力传感器及其的制作方法
JP6155648B2 (ja) ピエゾ抵抗素子及び半導体センサ
JP2002162303A (ja) 圧力センサ
RU212796U1 (ru) Датчик абсолютного давления с интегральным преобразователем температуры
JPH0158672B2 (ko)
JP5407438B2 (ja) 半導体装置
RU204992U1 (ru) Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления и с повышенным пробивным обратным напряжением

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right