[其他]抗磁場干擾的橫向電壓型壓力傳感器

無效

• 申請號: 87211315
• 申請日: 1987-10-22
• 公開（公告）號: CN87211315U
• 公開（公告）日: 1988-07-27
• 發明（設計）人: 鮑敏杭;齊薇佳;于連忠
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00
• 代理公司: 復旦大學專利事務所
• 代理人: 陸飛,滕懷流

本實用新型屬于用四端半導體電阻器構成抗磁場干擾的橫向電壓型壓力傳感器。

作為磁場傳感器的霍爾元件和四端單元件的力敏傳感器有相同的幾何圖形，它們都是如圖1所示的四端半導體（一般為硅）電阻器。工作時，在電源電極1和2之間加上電壓V₂，以形成從電極1流向電極2的電流，由信號輸出電極3和電極4就可以獲得輸出電壓信號。當電阻器處于磁場中時，與電阻平面垂直的磁場分量也會引起輸出電極3和4間的輸出電壓，這就是磁場引起的霍爾電壓。當電阻器處于應力作用下時，電極3和4間的輸出電壓對應力是敏感的，利用這一效應可以制成橫向電壓型力敏傳感器。其中一種應用是把這樣的四端電阻制作在薄的硅膜上，硅膜兩邊的壓力差會在硅膜上造成分布的應力，此應力使電極3和4之間形成輸出電壓，這就構成了橫向電壓型壓力傳感器。這種壓力傳感器對稱性好，穩定性也好并有利于集成化。但因為四端力敏電阻器具有磁敏性，所以存在著受磁場干擾的問題。限制了這種傳感器在有磁場干擾環境的應用。

本實用新型的目的是對橫向電壓型壓力傳感器的設計加以改進，以得到既對磁場不敏感，又有高的電壓靈敏度的壓力傳感器。

本實用新型的設計原理如下：

把圖1所示的四端電阻器用作磁場傳感器時，外加電壓使電流從電極1流向電極2。當存在有垂直于器件平面，方向從紙面向外的磁場時，磁場對運動空穴的偏轉作用會在器件上形成電極3為正、電極4為負的霍爾電壓。這個霍爾電壓的大小和極性不會因該電阻器在平面上的方向轉動而變化，當器件在平面上平移時，只要在移動范圍內磁場強度不變，霍爾電壓的大小也不會變化。

當把圖1所示的四端電阻器制作在薄的硅膜上以構成壓力傳感器時，情況就不同了。理論分析表明，應力引起的橫向電壓V_y可以表示成

V_y＝ (W)/(L) (ρ_b′)/(ρ₀) V_S（1）

式中W為電阻寬度，L為電阻長度，ρ₀為電阻率，V_S為加在電極1和2之間的電源電壓，ρb′是電阻率張量的一個分量。ρb′與作用在硅膜上的壓力大小成正比，與材料的導電類型、摻雜濃度有關，與硅膜的晶向、形狀、尺寸有關，也與器件在硅膜上的位置有關。除此之外，還與器件的方位角有關。在其它條件都相同的情況下，輸出電壓V_y的大小和符號都會隨電阻器的方位角而變化。

由此可見，磁場引起的四端電阻器的輸出電壓，其大小和符號都不隨器件的方位角的變化而變化。而硅膜上應力引起的四端電阻器的輸出電壓信號，其符號和大小都會隨器件的方位角的變化而變化。利用四端電阻器磁敏性與力敏性的這一不同性質，本實用新型將兩個四端力敏器件加以組合，把其中霍爾電壓極性相同的兩個輸出電極相短接，以另外兩個輸出電極作為輸出，從而達到消除磁敏作用的目的。另外，根據硅膜晶向、形狀的具體情況選擇兩個器件的位置和方向，可以使應力引起的輸出信號加強而使器件具有高的壓力靈敏度。下面是對幾種常見晶向和硅膜，給出獲得極大壓力靈敏度的消磁敏器件設計。

1.（001）方形硅膜

在（001）硅片上，可以用各向異性化學腐蝕方法形成方形硅膜，膜的邊緣沿〔110〕和〔110〕方向。由于作用在硅膜上的壓力在硅膜的邊緣中點附近形成最大的應力，因此四端電阻器通常被置于膜的邊緣中點附近，如圖3所示。根據分析，在方膜邊的中點附近，即圖2中的x＝a，y＝0處有

(ρ_b′)/(ρ₀) ＝0.61（1－ν）P (α²)/(h²) π₄₄sin2α （2）