CN114136202A - 应变计和应变测量组件 - Google Patents
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Abstract
一种应变计(200)，包括由掺杂硅材料形成的电阻器(250)、导电屏蔽件(260)以及设置在电阻器(250)和导电屏蔽件(260)之间的隔离元件(270)。所述隔离元件(270)将电阻器(250)与导电屏蔽件(260)电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及应变计，更具体地，涉及包括压敏电阻器的应变计。
背景技术
半导体硅应变计通过压阻效应工作，当施加机械应变时电阻率会发生变化。测量应变计两端的电压以确定附接有半导体硅应变计的物体的应变。
然而，半导体硅应变计会受到外部场和移动离子的影响。移动离子是在应变计生产时或在应变计安装过程中产生的，通常在应变计使用前随机分布。在使用应变计时，移动离子聚集在与电压电位相反的方向；偏压和涉及高温或高湿度的应用会加速离子迁移。移动离子的集中聚集形成漏电流路径并改变应变计的电阻，特别是在高电位区域。外部场电荷的变化也会改变应变计的电阻。由外部场或移动离子引起的应变计电阻的变化会导致漂移、不稳定和其他形式的错误应变测量。
发明内容
应变计包括由掺杂硅材料形成的电阻器、导电屏蔽件以及设置在电阻器和导电屏蔽件之间的隔离元件。隔离元件将电阻器与导电屏蔽件电隔离。
附图说明
现在将参照附图通过示例来描述本发明，其中：
图1是根据实施例的应变测量组件的示意性侧视图；
图2是根据形成为半桥的实施例的应变计的俯视图；
图3是图2的应变计的示意性剖视图；
图4是图2的应变计沿垂直于图3方向的示意性剖视图；
图5是根据另一实施例的应变计的示意性剖视图；以及
图6是根据形成为全桥的实施例的应变计的俯视图。
具体实施方式
参考附图详细描述本公开的示例性实施例，其中相同的附图标记指代相同的元件。然而，本公开可以许多不同形式来实施，并且不应被解释为受限于本文中所述的实施例；相反，这些实施例被提供使得本公开将向本领域技术人员传达本公开的概念。此外，在以下详细描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对所公开实施例的透彻理解。然而，显然也可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例。
如图1所示，根据实施例的应变测量组件10包括力响应构件100、应变计200和将应变计200附接到力响应构件100的附接材料300。由于所施加的力，力响应构件100的应变由应变计200测量和输出。
如图1所示，力响应构件100沿纵向方向L延伸。力响应构件100由弯曲材料制成，其弯曲由应变计200测量，如下文更详细描述。在实施例中，力响应构件100的弯曲材料可以是金属，例如不锈钢。在其他实施例中，弯曲材料可以是在施加的力下弯曲并且能够附接到本文所述的应变计200的任何材料。
如图1所示，附接材料300在垂直于纵向方向L的高度方向H上位于力响应构件100和应变计200之间。附接材料300具有将其施加在力响应构件100和应变计200之间的液态状态，以及附接材料300硬化以将应变计200固定到力响应构件100的固化状态。在各种实施例中，附接材料300可以是玻璃、环氧树脂或聚合物材料。在其他实施例中，附接材料300可以是能够将应变计200附接到力响应构件100并将力响应构件100的应变传递到应变计200的任何材料。
在图1和图2所示的实施例中，应变计200形成为半惠斯通电桥210(在此也称为“半桥”)。半桥210具有电阻部段212对和多个接触垫220。电阻部段212中的一个在接触垫220的第一接触垫222和接触垫220的第二接触垫224之间延伸。另一个电阻部段212在第二接触垫224和第三接触垫226之间延伸。多个中间接触垫228位于每个电阻部段212上。
每个接触垫220由导电材料形成。在实施例中，每个接触垫220由金属材料形成，例如铝或金合金。在其他实施例中，接触垫220可以由任何其他可引线接合的导电材料形成。
根据实施例的应变计200的接合隔离分层结构在图3和图4中示出。如图3所示的该实施例的分层结构示例性地取自沿图2中的线3-3的截面，但同样适用于应变计200的沿纵向方向L在两个接触垫220之间延伸的所有部分。如图4所示的该实施例的分层结构示例性地取自沿图2中的线4-4的截面，但同样适用于应变计200的所有类似部分。
在图3和图4所示的实施例中，应变计200包括硅基板240、设置在硅基板240中的电阻器250、导电屏蔽件260、设置在电阻器250和导电屏蔽件260之间的隔离元件270(隔离元件270将电阻器250与导电屏蔽件260电隔离)、设置在硅基板240中的保护环280以及钝化层290。
在实施例中，硅基板240由被掺杂以形成n型掺杂硅材料的单晶硅形成。通过用磷掺杂硅基板240的单晶硅来形成n型掺杂。在其他实施例中，可以通过掺杂砷、锑、铋、锂或用于硅结构的n型掺杂的任何其他元素来形成n型掺杂。n型掺杂可以通过离子注入、外延生长或其任何组合来执行。
在图3所示的实施例中，电阻器250是通过掺杂硅基板240的一部分硅材料而形成的。在图3所示的实施例中，电阻器250由硅基板240的p型掺杂部段242形成。p型掺杂部段242通过用硼掺杂硅基板240形成。在其他实施例中，可以通过掺杂镓、铟、铝或用于硅结构的p型掺杂的任何其他元素来形成p型掺杂。p型掺杂可以通过离子注入和/或扩散进行。
如图3所示，电阻器250具有上边254和在高度方向H上与上边254相对的下边256。电阻器250具有沿纵向方向L彼此相对且沿横向方向T彼此相对的多个侧边258，其沿高度方向H延伸，并连接下边256和上边254。如图4所示，横向方向T垂直于纵向方向L和高度方向H。
如图3所示，导电屏蔽件260包括第一导电屏蔽件262和第二导电屏蔽件268。在实施例中，通过对硅基板240进一步n型掺杂以形成第一n+型高掺杂部段248来形成第一导电屏蔽件262。在另一实施例中，第一导电屏蔽件262由与硅基板240分离的金属层266形成。金属层266可由铝、钛、钨、铬、多晶硅或任何其他高导电性金属材料形成。第二导电屏蔽件268是与硅基板240分离的元件，并且可以形成为分离的n+型高掺杂硅基板、类似于金属层266的金属层或任何其他导电材料。
如图3所示，隔离元件270包括第一隔离元件272和第二隔离元件276。在图3所示的实施例中，第一隔离元件272由硅基板240的n型掺杂部段244形成，该n型掺杂部段244在形成p型掺杂部段242之后保留，并且在实施例中，在形成第一n+型高掺杂部段248之后保留。硅基板240的n型和p型掺杂在电阻器250的p型掺杂部段242和形成第一隔离元件272的n型掺杂部段244之间的边界处形成p-n结246。n型掺杂部段244在施加的偏压下充当第一隔离元件272。
如图3所示，至少电阻器250和第一隔离元件272，并且在实施例中还有第一导电屏蔽件262，形成在单个硅基板240内。第一隔离元件272围绕电阻器250的下边256和多个侧边258。第一隔离元件272在高度方向H上位于电阻器250与第一导电屏蔽件262之间，并且，无论第一导电屏蔽件262是由第一n+型高掺杂部段248还是金属层266形成，第一隔离元件272都将电阻器250与第一导电屏蔽件262电隔离。在每个实施例中，第一导电屏蔽件262设置在第一隔离元件272的与电阻器250相反的一侧。在第一导电屏蔽件262由金属层266形成的实施例中，硅基板240位于金属层266上。
如图3所示，第二隔离元件276是与硅基板240分离的元件并且由介电材料形成。在实施例中，第二隔离元件276由诸如二氧化硅的氧化物或由氮化硅形成。在其他实施例中，第二隔离元件276可以由与本文所述的接合材料兼容的任何介电材料形成。
如图3所示，第二隔离元件276位于电阻器250的上边254上。在图3的实施例中，第二隔离元件276位于硅基板240的整个上表面上并在其上延伸。第二导电屏蔽件268位于第二隔离元件276上，在第二隔离元件276的与硅基板240和电阻器250相反的一侧上。第二隔离元件276在高度方向H上位于电阻器250和第二导电屏蔽件268之间并且将电阻器250与第二导电屏蔽件268电隔离。
如图3所示，接触垫220位于第二隔离元件276上，在第二隔离元件276的与硅基板240和电阻器250相反的一侧上。接触垫220延伸穿过第二隔离元件276并接触电阻器250，形成与电阻器250的电连接。接触垫220与第二导电屏蔽件268电隔离。
如图3所示，钝化层290位于第二导电屏蔽件268和第二隔离元件276的一部分之上。钝化层290在每个接触垫220处具有窗口292，钝化层290通过该窗口292通向接触垫220。在实施例中，通过窗口292执行到接触垫220的引线接合。钝化层290由防止损坏和/或腐蚀第二导电屏蔽件268的非导电材料形成。在实施例中，钝化层290是氮化硅。在其他实施例中，钝化层290可以是诸如聚酰胺、PECVD氮化物或任何其他类型的氧化物的聚合物。
应变计200的接合隔离分层结构在图4中沿高度方向H和横向方向T以剖视图示出。因此，图4中所示的截面与图3中所示的同一实施例的截面垂直。
如图4所示，保护环280是通过对硅基板240进一步n型掺杂以形成多个第二n+型高掺杂部段249而形成的。第二n+型高掺杂部段249自硅基板240上表面的第二隔离元件276沿高度方向H延伸至第一导电屏蔽件262；每个第二n+型高掺杂部段249的一部分沿高度方向H设置在与电阻器250相同的高度。保护环280的第二n+型高掺杂部段249在横向方向T上与电阻器250的侧边258间隔开。形成为n型掺杂部段244的第一隔离元件272在横向方向T上位于第二n+型高掺杂部段249和电阻器250之间。在第一导电屏蔽件262为第一n+型高掺杂部段248的实施例中，第二n+型高掺杂部段249可与类似形成的第一n+型高掺杂部段248连接。
图5示出了根据另一实施例的应变计200’的绝缘体上硅分层结构。如图3所示的类似，该实施例的分层结构示例性地取自沿图2中的线5-5的截面，但同样适用于应变计200的在两个接触垫220之间延伸的所有部分。相同的附图标记指代相同的元件，这里将主要详细描述与图3和图4中所示的实施例的不同之处。
在图5所示的实施例中，应变计200’不包括具有多个掺杂部段的应变计200的硅基板240。替代地，电阻器250通过单个硅层的p型掺杂形成。使用干蚀刻或湿蚀刻来蚀刻单个硅层以从掺杂区域周围去除硅并形成p型掺杂硅层252。形成为p型掺杂硅层252的电阻器250在高度方向H上具有上边254和与上边254相反的下边256。
在图5所示的应变计200’中，第一导电屏蔽件262是通过高n型掺杂与电阻器250的层分离的单个硅基板形成的。使用干蚀刻或湿蚀刻来蚀刻单个硅层以从掺杂区域周围去除硅并形成n+型高掺杂硅基板264。在另一实施例中，类似于图3和4所示的实施例，第一导电屏蔽件262可以由金属层266形成。第二导电屏蔽件268是分离的元件，并且可以形成为分离的n+型高掺杂硅基板、类似于金属层266的金属层或任何其他导电材料。
在图5所示的应变计200’中，第一隔离元件272和第二隔离元件276各自形成为来自介电材料的单独的、分离的元件。在实施例中，第一隔离元件272和第二隔离元件276各自由诸如二氧化硅的氧化物或由氮化硅形成。在其他实施例中，第一隔离元件272和第二隔离元件276可以各自由与本文所述的接合材料兼容的任何介电材料形成。
如图5所示，在应变计200’中，绝缘体上硅分层结构的每一层形成为单独的层。电阻器250的下边256位于第一隔离元件272上，并且第一隔离元件272位于第一导电屏蔽件262之上。第一隔离元件272在高度方向H上位于电阻器250与第一导电屏蔽件262之间，并且，无论第一导电屏蔽件262形成为n+型高掺杂硅基板264还是金属层266，第一隔离元件272都将电阻器250与第一导电屏蔽件262电隔离。
如图5所示，第二隔离元件276位于电阻器250的上边254上，并且第二导电屏蔽件268位于第二隔离元件276上，在第二隔离元件276的与电阻器250相反的一侧上。第二隔离元件276在高度方向H上位于电阻器250和第二导电屏蔽件268之间并且将电阻器250与第二导电屏蔽件268电隔离。
如图5所示，接触垫220位于第二隔离元件276上，在第二隔离元件276的与电阻器250相反的一侧上。接触垫220延伸穿过第二隔离元件276并接触电阻器250，形成与电阻器250的电连接。接触垫220与第二导电屏蔽件268电隔离。
如图5所示，钝化层290位于第二导电屏蔽件268、第二隔离元件276的一部分、p型掺杂硅层252的一部分和第一隔离元件272的一部分之上。钝化层290在每个接触垫220处具有窗口292，钝化层290通过该窗口292通向接触垫220。
在图6所示的另一实施例中，图3和图4所示的应变计200或图5所示的应变计200'可以类似地用于形成全惠斯通电桥230(在此也称为“全桥”)。全桥230具有四个电阻部段232和多个接触垫220。电阻部段232中的一个在第一接触垫222、第二接触垫224、第三接触垫226和第四接触垫228的每一对之间延伸。图3-5中所示的实施例的部段在图6中指示并且适用于电阻部段232中的每一个。
如图1所示，在应变测量组件10中使用的应变计200可以体现为半桥210。在另一实施例中，半桥210可以形成为上述应变计200’。在另一实施例中，应变测量组件10可以使用全桥230代替半桥210，具有应变计200或应变计200’的分层结构。
在应变测量组件10的使用中，对于图1和图2所示的半桥210，第一接触垫222连接到电压源的第一端子，第三接触垫226连接到电压源的第二端子。跨第一接触垫222和第三接触垫226施加例如5V的电压。对于图6所示的全桥230，第一接触垫222连接到第一端子并且第三接触垫226同样地连接到第二端子。
施加的力使力响应构件100弯曲并且在力响应构件100中引起机械应变。机械应变通过附接材料300传递到应变计200。由p型掺杂部段242或p型掺杂硅层252形成的应变计200、200’中的电阻器250是压敏电阻器，并且在施加机械应变下电阻会发生变化。感测第三接触垫226处的电压以确定半桥210中的力响应构件100的应变。半桥210中的中间接触垫228使应变计220在横向方向T上延伸的部分短路，从而通过应变计220的沿纵向轴线L延伸的部分来测量应变。感测第三接触垫226和第四接触垫229处的电压以确定全桥230中的力响应构件100的应变。
导电屏蔽件260保护应变计200、200’免受外部场效应的影响并使移动离子远离应变计200、200’。第一导电屏蔽件262在高度方向H上保护应变计200、200’的顶侧免受外部场效应和移动离子的影响，而第二导电屏蔽件268在高度方向H上保护应变计200、200’的底侧免受外部场效应和移动离子的影响。移动离子同样被电阻器250吸引，并且由于导电屏蔽件260，外部场不会到达电阻器250。在实施例中，保护环280提供进一步的保护，有效地包围电阻器250。导电屏蔽件260和可选的保护环280增加了应变计200、200’测量的应变的稳定性和可靠性。
Claims (15)
1.一种应变计(200)，包括：
电阻器(250)，由掺杂硅材料形成；
导电屏蔽件(260)；和
隔离元件(270)，位于电阻器(250)和导电屏蔽件(260)之间，并且将电阻器(250)与导电屏蔽件(260)电隔离。
2.根据权利要求1所述的应变计(200)，其中，所述电阻器(250)和所述隔离元件(270)形成在单个硅基板(240)内。
3.根据权利要求2所述的应变计(200)，其中，所述电阻器(250)是所述硅基板(240)的p型掺杂部段(242)，并且所述隔离元件(270)是所述硅基板(240)的n型掺杂部段(244)，与p型掺杂部段(242)形成p-n结(246)。
4.根据权利要求3所述的应变计(200)，其中，所述导电屏蔽件(260)形成于所述单个硅基板(240)内，所述导电屏蔽件(260)为所述硅基板(240)的n+型高掺杂部段(248)。
5.根据权利要求3所述的应变计(200)，其中，所述导电屏蔽件(260)是金属层(266)，所述硅基板(240)设置在所述金属层(266)上。
6.根据权利要求3所述的应变计(200)，其中，所述隔离元件(270)围绕所述电阻器(250)的下边(256)和多个侧边(258)。
7.根据权利要求6所述的应变计(200)，还包括形成于所述单个硅基板(240)内的保护环(280)，所述保护环(280)为所述硅基板(240)的n+型高掺杂部段(249)，其沿高度方向设置在与所述电阻器(250)相同的高度，并且在垂直于高度方向的横向方向上与所述电阻器(250)的侧边(258)间隔开。
8.根据权利要求1所述的应变计(200)，其中，所述电阻器(250)为p型掺杂硅层(252)，所述隔离元件(270)为氧化物，所述p型掺杂硅层(252)设置在所述氧化物上。
9.根据权利要求8所述的应变计(200)，其中，所述导电屏蔽件(260)是其上布置有所述氧化物的n+型高掺杂硅基板(264)。
10.根据权利要求8所述的应变计(200)，其中，所述导电屏蔽件(260)是金属层(266)，所述氧化物设置在所述金属层(266)上。
11.根据权利要求1所述的应变计(200)，其中，所述隔离元件(270)包括设置在所述电阻器(250)的下边(256)上的第一隔离元件(272)，以及设置在所述电阻器(250)的与下边(256)相对的上边(254)上的第二隔离元件(276)。
12.根据权利要求11所述的应变计(200)，其中，所述导电屏蔽件(260)包括设置在所述第一隔离元件(272)的与所述电阻器(250)相反的一侧上的第一导电屏蔽件(262)，以及设置在所述第二隔离元件(276)的与所述电阻器(250)相反的一侧上的第二导电屏蔽件(268)。
13.根据权利要求11所述的应变计(200)，还包括电连接到所述电阻器(250)并延伸穿过所述第二隔离元件(276)的接触垫(220)。
14.根据权利要求12所述的应变计(200)，还包括位于所述第二导电屏蔽件(268)上方的钝化层(290)。
15.一种应变测量组件(10)，包括：
力响应构件(100)；
应变计(200)，包括由掺杂硅材料形成的电阻器(250)、导电屏蔽件(260)和设置在所述电阻器(250)和导电屏蔽件(260)之间的隔离元件(270)，并且所述隔离元件(270)将所述电阻器(250)与导电屏蔽件(260)电隔离；以及
附接材料(300)，其将所述应变计(200)附接到所述力响应构件(100)。
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