[发明专利]压阻应变集中器

说明书

背景技术

在压力和加速传感器中，希望通过从介质吸收的相对少量的能量产生相对大的信号能量。这一目标是为了最小化产生理想输出信号所需的机械能。在压力传感器中，随着压力使隔膜偏转，能量从介质吸入。一般地，设置一杆穿过隔膜，该杆的中心和其端部具有深的凹口。计量器设置在与凹口底部相对的平面上。弯折杆的应变集中在凹口的底部。在加速传感器中，随着地震波相对于其参考框架偏转，能量从加速区域吸入。例如，所使用的结构的特征在于在弹性铰链上从基板蚀刻的无标记计量器(gages that are etched freefrom the substrate over an elastic hinge)，所谓的“无标记计量器”(freed-gage)。当铰链承载横向负载并且计量器比铰链的外表更远离弯折中性轴时，计量器变为最大程度的应变材料。在加速和压力传感器二者中，经由小物理尺寸带来高敏感度，即具有效率。

传感器生产商采取的通用方法是形成大区域的应变表面并且将适当尺寸的应变计量器设置到更多的应变区域上。可选择地，已经使用结构性装置将应变集中在压敏电阻中。在压阻传感器中，通过改变由电流激发的一个或多个应变-敏感电阻器的电阻来产生信号。因此，在具有嵌入计量器的简单平面隔膜压力传感器中，中心的外周和宽展面积的大部分形成提供计量器中的信号所需的应变状态。虽然计量器位于最大应变的区域中，但是大部分应变能量在缺少应变计量器的外周和中心区域被消耗掉。

在无标记计量器结构中，只有压阻材料可检测到完整程度的应变；铰链和力集中结构产生的应变更少。虽然无标记计量器是对先前应变计量器进行的改进，但是它还不是检测应变的优化结构。制造公差会在无标记计量器上产生最小的横截面；因此，对于所需的信号能量来说，一些最少量的材料必须产生应变。制造过程也会在无标记计量器中的电阻上施加上限，这样将限制计量器因数以及因此的计量器敏感度。另外，热量消耗会限制该装置的长度，使得计量器必须在铰链上跨过间隙来回移动，直到具有足够完整的长度形成所需的电阻。因此，仍然需要应力集中结构来克服无标记计量器结构的这些缺点。

发明内容

本发明涉及一种用于检测机械输入并且将至少两个相对可移动部件的机械移动转换为电输出的装置。该装置包括由硅晶体材料组成的基板。该基板包括延伸跨过基板的限定相对可移动部件的一部分的间隙以及在其间延伸的弹性横截面。至少一个应变感应元件设置在硅基板表面上，具有两个端部和延伸跨过该间隙的颈部。该应变感应元件的颈部支承在同样延伸跨过该间隙的应变集中结构上。该应变集中具有延伸至间隙基部处的横截面的垂直壁，并且采用与基板相同的材料制成。电极装置电性连接至端部，用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。在一项实施例中，硅基板在(110)平面中定向，并且包括n型杂质，应变感应元件沿[111]方向对齐并且包括p型杂质。在另一实施例中，硅基板在(100)平面中定向，并且包括p型杂质，应变感应元件沿[001]方向对齐并且包括n型杂质。

在本发明的另一方面中，串联连接的至少两个应变感应元件设置在硅基板表面上，并且由检测至少两个相对可移动部件的机械移动并且将该移动转换为电输出的装置的对应应变集中结构支承。在另一实施例中，串联连接的六个应变感应元件设置在硅基板表面上并且由对应的应变集中结构支承。该应变感应元件包括深搀杂的硼并且具有小的横截面宽度。

在另一实施例中，本发明的装置由在(110)平面中定向的n型半导体材料获得的硅基板制成。基板的一个表面包括三凸台隔膜。该基板的另一表面包括延伸跨过基板的限定柔性横截面和相对可移动部件的基板的一部分的四个间隙。四个应变感应元件对设置在硅基板表面上的该间隙附近，每个应变感应元件包括由延伸跨过该间隙的中间颈部相互连接的两个端部。每个颈部支承在延伸跨过该间隙的对应应变集中结构上，并且具有延伸至间隙基部处的横截面的垂直壁，并且由与基板相同的材料制成。四个应变感应元件由p型半导体材料形成并且沿[111]方向定向，并且连接为电桥电路。在一项优选实施例中，电桥电路是惠司通电桥电路。电性连接至应变感应元件的端部的电极装置用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。基板上处于计量器高度的绝缘跨接桥，使得应变感应元件以电桥电路的顺序连接至边缘的角部处的端部，使得电桥的邻近腿检测到相反的应变。