“X” 型硅微应变固态压阻传感器及其制作工艺制造技术

一种“Ｘ”型硅微应变固态压阻传感器及其制作工艺，在氮化硅上光刻出“Ｘ”型四端元件（５）的图形，然后通过掩膜刻蚀，在硅中注入半导体材料，得到“Ｘ”型四端元件（５）的两相互垂直的电阻条，在其末端压入金属膜作为信号负接点１、电源接点２、信号正接点４和地接点３，所得到的该传感器具有体积微小、灵敏度高、线性范围宽的优点，可广泛用来测量包括微构件机构的拉力、张力、扭矩和压力。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硅微应变固态压阻传感器及其制作工艺，集应力敏感与力电转换检测于一体，属于力传感器的生产及应用领域。目前，国内外传感器一般采用单个金属应变片、桥式金属应变片、硅压阻桥式应变片。单个金属应变片作为测量元件时，常与其它单个应变片或外围电路相匹配才能构成测量单元，这样就存在着不一致性，从而导致过大零位或温度漂移误差，同时其测量精度和灵敏度较低。桥式金属应变片是把四个单个金属应变片作为惠斯登电桥上的四个电阻条的一种应变片，因金属应变效应，它存在着体积大、测量灵敏度低、零位误差大等缺点，不能对一些微小构件、微弱应变进行检测。硅压阻桥式应变片是通过微电子技术、微机械加工技术在单晶硅片上制成惠斯登电桥，虽具有结构较小、灵敏度较高等优点，但仍存在偏大的零位误差和温度漂移等缺点，这是由于硅压阻桥式应变片的四个电阻条作为测量单元惠斯登电桥的四个臂上的四个电阻时，由于加工工艺很难保证四个电阻的一致性，就会引起零位误差；同时当温度发生变化时，由于四个电阻对温度敏感不匹配，而产生信号误差。本专利技术的目的在于解决传统金属应变片体积过大、灵敏度低、零位误差大、温度漂移的缺点，以及硅压阻桥式应变片的零位误差和温度漂移的缺点而设计的一种“X”型硅微应变固态压阻传感器，并提供一种制作该传感器的工艺，所得到的该传感器具有体积微小、灵敏度高、线性范围宽的优点，与其他弹性元件结合使用，可广泛用来测量包括微构件机构的拉力、张力、扭矩、压力。本专利技术“X”型单个四端压阻应变仪采用整体平面结构，它与传统的金属应变片和硅压阻桥式应变片的设计不同，四个电阻条的惠斯登电桥被一个四端元件所替代。它是利用微加工、微电子技术及工艺，同时利用硅的弹性力学特性，在单晶硅片的晶向上，制成一个“X”型四端元件。它是一种集应力敏感与力电转换检测于一体的力学量固态压阻传感器。这种“X”型硅应变固态压阻传感器不仅避免了通常构成惠斯登电桥的四只对压力和温度敏感的电阻由于不匹配而产生的误差，而且大大简化了进行校准和温度补偿所需要的外用线路。附图说明图1是本专利技术的结构原理图。图2是本专利技术的工作原理图。下面结合附图对本专利技术的结构原理和工作原理作详细说明。参照图1，本专利技术包括一硅膜6，硅膜6上配置有一四端元件5，四端元件5由两电阻条构成一“X”型，两电阻条之间的夹角可为不重合的任意夹角，最好为90°±1°，电阻条的深度为2～3μm，宽度为20～30μm，“X”型四端元件5的末端分别与信号负接点1、电源接点2、信号正接点4、地接点3连接。地接点3接电源地，电源接点2接电源电压+Vs，激励电流流过电源接点2和地接点3，加在硅膜6上的压力与电流相垂直。该压力在“X”型四端元件5上建立了一个横向电场，该电场穿过“X”型四端元件中点。所产生的电压信号由信号正接点4和信号负接点1之间引出。本专利技术硅微应变固态压阻传感器制作工艺首先在N型单晶硅片的两面上用LPCVD淀积厚度约为1000埃的一层氮化硅。接着在(100)晶面光刻出“X”型四端元件5的图形，再以光刻胶作掩膜刻蚀氮化硅，得到深度2～3μm，宽度20～30μm的“X”型结构。再以氮化硅为掩蔽在“X”型结构的硅中扩散或离子注入半导体材料硼，得到“X”型四端元件5的两相互垂直的电阻条，电阻条的阻值为1～2kΩ，两电阻条之间的夹角为90°±1°。在“X”型四端元件5的末端压入金属膜分别作为信号负接点1、电源接点2、信号正接点4、地接点3。自传感器的背面减薄至约100μm，最后经过划片切片即得所设计的硅微应变固态压阻传感器。参照图2，说明“X”型硅微应变固态压阻传感器的工作原理。在硅膜片表面用扩散或离子注入工艺制成一个“X”型四端元件。在四端元件的一个方向上加偏置电压而形成一个电流i2，当有剪应力作用时，将会产生一个垂直电流方向的电场变化E1。电场E1引起该方向的电位分布发生变化，从而在与电流垂直方向上的两端可以得到由被测力而引起的电压输出VOUT，该电压正比于E1。电场E1与电流密度i2和剪切应力δ12乘积成正比例，一旦i2固定，E1就只与剪切应力成比例。因此，产生的输出电压VOUT与外加剪切应力，即被测力成正比，二者之间有很好的线性关系，即VOUT=d·E1=d·kδ12=k′δ12(1)其中d、k、k′均为比例系数，δ12为剪切应力。本专利技术提供以下一个实施例硅应变固态压阻仪外形尺寸2．5mm×2．5mm×0．1mm；灵敏度≥0．6mv／με；灵敏度热漂移≤0．2％℃；应变极限≥3000με；电源恒压源≤12VDC；工作温度-40～85℃；疲劳寿命≥107次。权利要求1．“X”型硅微应变固态压阻传感器，包括一硅膜(6)，其特征在于，硅膜(6)上配置有一四端元件(5)，四端元件(5)由两电阻条构成一“X”型，其末端分别与信号负接点(1)、电源接点(2)、信号正接点(4)、地接点(3)连接。2．根据权利要求1所述的“X”型硅微应变固态压阻传感器，其特征在于，两电阻条之间的夹角为90°±1°。3．根据权利要求1、2所述的“X”型硅微应变固态压阻传感器，其特征在于，所说电阻条的深度为2～3μm，宽度为20～30μm。4．X”型硅微应变固态压阻传感器制作工艺，首先在N型单晶硅片的两面上用LPCVD沉积厚度为1000埃的一层氮化硅，其特征在于，接着在晶面光刻出“X”型四端元件(5)的图形，再以光刻胶作掩膜刻蚀氮化硅，得到深度为2～3μm，宽度为20～30μm的“X”型结构，再以氮化硅为掩蔽在“X”型结构的硅中扩散或离子注入半导体材料，得到“X”型四端元件5的两相互垂直的电阻条，在“X”型四端元件5的末端压入金属膜作为信号负接点1、电源接点2、信号正接点4和地接点3，自传感器的背面减薄至100μm，最后经过划片切片即得。全文摘要一种“X’型硅微应变固态压阻传感器及其制作工艺,在氮化硅上光刻出“X”型四端元件(5)的图形,然后通过掩膜刻蚀,在硅中注入半导体材料,得到“X”型四端元件(5)的两相互垂直的电阻条,在其末端压入金属膜作为信号负接点1、电源接点2、信号正接点4和地接点3,所得到的该传感器具有体积微小、灵敏度高、线性范围宽的优点,可广泛用来测量包括微构件机构的拉力、张力、扭矩和压力。文档编号G01D5/12GK1293356SQ0011396公开日2001年5月2日 申请日期2000年11月1日 优先权日2000年11月1日专利技术者蒋庄德, 赵玉龙 申请人:西安交通大学 本文档来自技高网...

【技术保护点】
“Ｘ”型硅微应变固态压阻传感器，包括一硅膜（６），其特征在于，硅膜（６）上配置有一四端元件（５），四端元件（５）由两电阻条构成一“Ｘ”型，其末端分别与信号负接点（１）、电源接点（２）、信号正接点（４）、地接点（３）连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋庄德，赵玉龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]