[其他]抗磁场干扰的横向电压型压力传感器

说明书

本实用新型属于用四端半导体电阻器构成抗磁场干扰的横向电压型压力传感器。

作为磁场传感器的霍尔元件和四端单元件的力敏传感器有相同的几何图形，它们都是如图1所示的四端半导体（一般为硅）电阻器。工作时，在电源电极1和2之间加上电压V₂，以形成从电极1流向电极2的电流，由信号输出电极3和电极4就可以获得输出电压信号。当电阻器处于磁场中时，与电阻平面垂直的磁场分量也会引起输出电极3和4间的输出电压，这就是磁场引起的霍尔电压。当电阻器处于应力作用下时，电极3和4间的输出电压对应力是敏感的，利用这一效应可以制成横向电压型力敏传感器。其中一种应用是把这样的四端电阻制作在薄的硅膜上，硅膜两边的压力差会在硅膜上造成分布的应力，此应力使电极3和4之间形成输出电压，这就构成了横向电压型压力传感器。这种压力传感器对称性好，稳定性也好并有利于集成化。但因为四端力敏电阻器具有磁敏性，所以存在着受磁场干扰的问题。限制了这种传感器在有磁场干扰环境的应用。

本实用新型的目的是对横向电压型压力传感器的设计加以改进，以得到既对磁场不敏感，又有高的电压灵敏度的压力传感器。

本实用新型的设计原理如下：

把图1所示的四端电阻器用作磁场传感器时，外加电压使电流从电极1流向电极2。当存在有垂直于器件平面，方向从纸面向外的磁场时，磁场对运动空穴的偏转作用会在器件上形成电极3为正、电极4为负的霍尔电压。这个霍尔电压的大小和极性不会因该电阻器在平面上的方向转动而变化，当器件在平面上平移时，只要在移动范围内磁场强度不变，霍尔电压的大小也不会变化。

当把图1所示的四端电阻器制作在薄的硅膜上以构成压力传感器时，情况就不同了。理论分析表明，应力引起的横向电压V_y可以表示成

V_y＝ (W)/(L) (ρ_b′)/(ρ₀) V_S（1）

式中W为电阻宽度，L为电阻长度，ρ₀为电阻率，V_S为加在电极1和2之间的电源电压，ρb′是电阻率张量的一个分量。ρb′与作用在硅膜上的压力大小成正比，与材料的导电类型、掺杂浓度有关，与硅膜的晶向、形状、尺寸有关，也与器件在硅膜上的位置有关。除此之外，还与器件的方位角有关。在其它条件都相同的情况下，输出电压V_y的大小和符号都会随电阻器的方位角而变化。

由此可见，磁场引起的四端电阻器的输出电压，其大小和符号都不随器件的方位角的变化而变化。而硅膜上应力引起的四端电阻器的输出电压信号，其符号和大小都会随器件的方位角的变化而变化。利用四端电阻器磁敏性与力敏性的这一不同性质，本实用新型将两个四端力敏器件加以组合，把其中霍尔电压极性相同的两个输出电极相短接，以另外两个输出电极作为输出，从而达到消除磁敏作用的目的。另外，根据硅膜晶向、形状的具体情况选择两个器件的位置和方向，可以使应力引起的输出信号加强而使器件具有高的压力灵敏度。下面是对几种常见晶向和硅膜，给出获得极大压力灵敏度的消磁敏器件设计。

1.（001）方形硅膜

在（001）硅片上，可以用各向异性化学腐蚀方法形成方形硅膜，膜的边缘沿〔110〕和〔110〕方向。由于作用在硅膜上的压力在硅膜的边缘中点附近形成最大的应力，因此四端电阻器通常被置于膜的边缘中点附近，如图3所示。根据分析，在方膜边的中点附近，即图2中的x＝a，y＝0处有

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