本實(shí)用新型屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在風(fēng)洞試驗(yàn)中溫度變化的情況下對微小應(yīng)變進(jìn)行精確測量的溫度自補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)。

背景技術(shù)：

應(yīng)變計(jì)在測量結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變的同時(shí)，也受到溫度的影響，而且其溫度輸出是限制其性能的一個(gè)主要因素。在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，尤其是高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，目前國內(nèi)采用的基于應(yīng)變計(jì)的氣動(dòng)力測量裝置存在很嚴(yán)重的溫度干擾，且這種溫度干擾是隨風(fēng)洞試驗(yàn)中氣流總溫的升高和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏魺釟饬髦械臅r(shí)間增長而非線性的增加，直接影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)以半導(dǎo)體晶體的壓阻效應(yīng)為基礎(chǔ)。早期的半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)稱為體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，它由半導(dǎo)體硅、鍺等晶體切割成柵體制作而成。之后，人們利用半導(dǎo)體集成電路的平面工藝，開發(fā)了電阻與硅片一體化的擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。體型應(yīng)變計(jì)與擴(kuò)散型應(yīng)變計(jì)的不同點(diǎn)是：擴(kuò)散型應(yīng)變計(jì)上的電阻是用擴(kuò)散法制成的，而體型應(yīng)變計(jì)則是用機(jī)械、化學(xué)等方法將單晶硅加工成柵狀，然后再將它粘貼在彈性元件上的。半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量精度高等特點(diǎn)，但其最大的缺點(diǎn)是易受溫度變化的影響。

半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)易受溫度影響的缺點(diǎn)是制約其在風(fēng)洞試驗(yàn)中使用和進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題之一。在溫度變化大的風(fēng)洞環(huán)境中使用時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方法有線路補(bǔ)償、提高摻雜濃度、采用防/隔熱措施等，這些方法不僅增加了制作工藝/測量裝置的復(fù)雜性，而且仍不能從根本上克服溫度效應(yīng)所帶來的測量誤差。因此，解決半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)所固有溫度效應(yīng)問題，對風(fēng)洞試驗(yàn)過程中氣動(dòng)力特性準(zhǔn)確測量具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)所固有的溫度效應(yīng)問題，設(shè)計(jì)一種高精度溫度自補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)，以滿足在大溫度變化范圍內(nèi)對微小應(yīng)變進(jìn)行精確測量的要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種溫度自補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)，所述應(yīng)變計(jì)包括高阻n型硅基底，設(shè)置在基底上的四個(gè)電極及兩條形狀、尺寸相同的敏感柵A和敏感柵B，所述的敏感柵A和敏感柵B為將p型雜質(zhì)定域離子注入或擴(kuò)散到所述基底上形成的一層p型電阻層；兩條敏感柵正交分離分布且每個(gè)敏感柵的兩端分別與兩個(gè)電極相連。

所述的敏感柵A和敏感柵B的形狀為直條形。

所述的敏感柵A和敏感柵B的形狀為瘦長彎折形。

所述的p型電阻層的厚度為1～3μm。

一種溫度自補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)，包括高阻n型硅基底，在基底上設(shè)置的按正方形順時(shí)針依次連接的電極A’、敏感柵A’、電極B’、敏感柵B’、電極C’、敏感柵C’、電極D’和敏感柵D’，并且四個(gè)電極和四個(gè)敏感整體形成閉合回路，所述的四個(gè)電極和四個(gè)敏感柵形狀及尺寸均相同，所述的四個(gè)敏感柵均為將p型雜質(zhì)定域離子注入或擴(kuò)散到所述基底上形成的一層p型電阻層。

所述的四個(gè)敏感柵的形狀均為直條形。

所述的p型電阻層的厚度為1～3μm。

本實(shí)用新型的顯著效果在于：

1、無需復(fù)雜的溫度補(bǔ)償手段，僅利用應(yīng)變計(jì)自身集成的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，即可得到很好的溫度補(bǔ)償效果；

2、在一定溫度和應(yīng)變范圍內(nèi)，本實(shí)用新型提出的半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)在抑制溫度影響的同時(shí)，能夠直接輸出與應(yīng)變成比例的電壓信號；

3、本實(shí)用新型提出的應(yīng)變計(jì)的溫度補(bǔ)償效果不受應(yīng)變計(jì)材料與試件的熱膨脹系數(shù)差異影響；

4、本實(shí)用新型提出的應(yīng)變計(jì)的溫度補(bǔ)償過程非常迅速，可適用于溫度快速變化的應(yīng)用場合；

5、相比于體型半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)，本實(shí)用新型提出的應(yīng)變計(jì)靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊且相對牢固。

附圖說明

圖1為一種集成兩個(gè)敏感柵結(jié)構(gòu)的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一種集成兩個(gè)敏感柵結(jié)構(gòu)的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的測量原理示意圖；

圖3為一種集成另兩個(gè)敏感柵結(jié)構(gòu)的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為一種集成四個(gè)敏感柵結(jié)構(gòu)的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為一種集成四個(gè)敏感柵結(jié)構(gòu)的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的測量原理示意圖；

圖中：1應(yīng)變計(jì)基底、2電極A、3電極B、4電極C、5電極D、6敏感柵A、7敏感柵B、8直流電壓源、9檢測元件、10敏感柵C、11敏感柵D、12電極A’、13電極B’、14電極C’、15電極D’、16敏感柵A’、17敏感柵B’、18敏感柵C’、19敏感柵D’。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型所述的一種溫度自補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體壓阻應(yīng)變計(jì)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本實(shí)用新型提出的一種應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。應(yīng)變計(jì)包括基底1及設(shè)置在基底1上的電極A2、電極B3、電極C4、電極D5和兩條尺寸相同且正交分離分布的敏感柵A6和敏感柵B7，其中敏感柵A6與電極A2、電極D5相連；敏感柵B7與電極B3、電極C4相連；敏感柵A6和敏感柵B7的形狀為直條形。

基底1的材料可選用高阻n型硅晶片；敏感柵A6和敏感柵B7通過將p型雜質(zhì)定域離子注入或擴(kuò)散到高阻n型硅基底上，以形成一層1～3μm厚度的p型電阻層，其形狀和尺寸可由離子注入或擴(kuò)散工藝中使用的掩模板決定；

最后用超聲波或熱壓焊法在電極A2、電極B3、電極C4、電極D5上引出連接導(dǎo)線。

由于該應(yīng)變計(jì)上的兩片敏感柵相鄰布置在同一片具有良好熱傳導(dǎo)率的半導(dǎo)體基底上，故可近似認(rèn)為兩者的溫度相等；此外，兩個(gè)敏感柵尺寸相同，且為同一批工藝在相鄰位置上制作而成，故可近似認(rèn)為兩者的電學(xué)性能(諸如電阻值、電阻溫度系數(shù)等)亦相等。

按照圖2所示方法將該種應(yīng)變計(jì)的測量原理示意圖，直流電壓源8分別與應(yīng)變計(jì)的電極A2和電極B3連接，應(yīng)變計(jì)的另兩個(gè)電極C4和電極D5短接后可由檢測元件9進(jìn)行輸出信號的檢測；在實(shí)際應(yīng)變測量中，應(yīng)變計(jì)需要通過粘貼等方式固定到測試件表面，以使得測試件受力產(chǎn)生的變形能夠傳遞到其上。

當(dāng)有溫度變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)沿四周產(chǎn)生均勻的應(yīng)變，敏感柵A6和敏感柵B7按均等比例的發(fā)生形變，應(yīng)變計(jì)輸出信號不變，達(dá)到了溫度自補(bǔ)償?shù)哪康模划?dāng)應(yīng)變計(jì)沿箭頭A方向發(fā)生應(yīng)變時(shí)，敏感柵A6會(huì)相應(yīng)的沿A方向的產(chǎn)生拉伸形變而導(dǎo)致其電阻增大，敏感柵B7則會(huì)產(chǎn)生壓縮形變而導(dǎo)致其電阻減小，此時(shí)檢測元件9將檢測出與應(yīng)變相對應(yīng)的輸出電壓信號，且在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，輸出信號幅值正比于輸入應(yīng)變量。由此可以看出，通過使用單片集成的兩個(gè)正交的敏感柵，本實(shí)用新型提出的該類應(yīng)變計(jì)能夠在顯著抑制溫度效應(yīng)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的測量測試件上的應(yīng)變。

圖3為本實(shí)用新型提出的應(yīng)變計(jì)的另一種形式，該種結(jié)構(gòu)的應(yīng)變計(jì)將圖1和圖2所示的直條形敏感柵A6和敏感柵B7改進(jìn)為瘦長彎折形敏感柵C10和敏感柵D11，這種減小敏感柵寬度、延長敏感柵長度的方式可以增大電阻值，從而可以提高應(yīng)變測量精度。

但減小敏感柵的寬度亦有限制條件：敏感電阻寬度的選擇從制版、光刻誤差角度來考慮，在滿足局部要求的條件下應(yīng)盡可能寬；從功耗角度來考慮，敏感電阻的寬度也盡可能寬，因?yàn)殡娏魍ㄟ^電阻之后，敏感電阻受熱會(huì)引起溫度漂移，較寬的電阻寬度可使敏感面積加大，抑制電阻的溫度升高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用中小規(guī)模集成電路制造工藝，敏感柵的線寬和線條間距可設(shè)計(jì)為5～10μm。

圖4為本實(shí)用新型提出的另一種應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。應(yīng)變計(jì)包括基底1及在基底1上正方形設(shè)置的電極A’12、電極B’13、電極C’14、電極D’15和四個(gè)尺寸相同呈正方形分布并與四個(gè)電極順時(shí)針相連的敏感柵A’16、敏感柵B’17、敏感柵C’18、敏感柵D’19。

本實(shí)用新型提出的應(yīng)變計(jì)為一個(gè)單片應(yīng)變計(jì)基底上制作四路等效電阻結(jié)構(gòu)以組成惠斯頓電橋的應(yīng)變敏感器件。由于該應(yīng)變計(jì)上的四個(gè)敏感柵相鄰的布置在同一片具有良好熱傳導(dǎo)率的半導(dǎo)體材料基底上，故可近似認(rèn)為四者的溫度相等；此外，四個(gè)敏感柵尺寸相同，且為同一批工藝在相鄰位置上制作而成，故可近似認(rèn)為四者的電學(xué)性能(諸如電阻值、電阻溫度系數(shù)等)亦相等。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于敏感柵材料沿四周均勻變化，兩路電橋的信號互相差分后應(yīng)變計(jì)的輸出信號不變；當(dāng)應(yīng)變計(jì)沿某一方向發(fā)生應(yīng)變時(shí)，兩路電橋的信號互相沿反方向變化，從而導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)輸出信號改變。

圖5為該應(yīng)變計(jì)的測量原理示意圖。本實(shí)用新型提出的這類應(yīng)變計(jì)可在單片基底上形成一個(gè)惠斯頓全橋，如直流電壓源8與應(yīng)變計(jì)的電極B’13和電極D’15連接，由敏感柵B’17和敏感柵C’18組成的一路電流通道而由敏感柵A’16和敏感柵D’19組成的另一路通道，檢測元件9與應(yīng)變計(jì)的電極A’12和電極C’14連接。當(dāng)應(yīng)變計(jì)上的電橋因應(yīng)變而失去平衡時(shí)，檢測元件9將檢測出與應(yīng)變相對應(yīng)的輸出電壓信號。

在實(shí)際應(yīng)變測量中，當(dāng)有溫度變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)沿四周產(chǎn)生均勻的應(yīng)變，敏感柵A’16、敏感柵B’17、敏感柵C’18、敏感柵D’19等比例的發(fā)生形變，電橋保持平衡；當(dāng)應(yīng)變計(jì)沿箭頭A方向發(fā)生應(yīng)變時(shí)，敏感柵B’17和敏感柵D’19的阻值增大，而敏感柵A’16和敏感柵C’18的阻值減小，電橋不再平衡，此時(shí)檢測元件9將檢測出與應(yīng)變相對應(yīng)的輸出電壓信號，且在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，輸出信號幅值正比于輸入應(yīng)變量。由此可以看出，通過使用單片集成的四個(gè)敏感柵并組成惠斯頓全橋，本實(shí)用新型提出的應(yīng)變計(jì)能夠在顯著抑制溫度效應(yīng)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的測量測試件上的應(yīng)變。