本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體應(yīng)變測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶CMOS溫度傳感器的溫度補(bǔ)償型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。

背景技術(shù)：

應(yīng)變計(jì)能夠有效測(cè)量機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變，在航空、航天、化工、機(jī)械、建筑以及交通等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，常用于制作各種應(yīng)力、力、壓力、扭矩等各種物理量的測(cè)量。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是一種常見(jiàn)的且廣泛應(yīng)用的應(yīng)變計(jì)之一，其以半導(dǎo)體晶體材料的壓阻效應(yīng)為基礎(chǔ)，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)。早期的半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)稱為體型半導(dǎo)體，它由半導(dǎo)體硅、鍺等晶體材料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(kāi)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)。體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)與擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(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。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，但其最大的缺點(diǎn)是易受溫度變化的影響，且通常情況下溫度影響遠(yuǎn)大于待測(cè)應(yīng)變的影響。

為了準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變量，必須對(duì)應(yīng)變計(jì)的溫度輸出進(jìn)行補(bǔ)償。一種常用的溫度補(bǔ)償方法是使用至少兩個(gè)應(yīng)變計(jì)并合理布置其位置，通過(guò)組建Wheatstone電橋的方法補(bǔ)償溫度輸出；另一種方式則是使用額外的溫度傳感器測(cè)量應(yīng)變計(jì)所處位置附近的溫度，根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)變計(jì)的輸出進(jìn)行修正。然而在高精度的應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域，兩種方法都具有一定的局限性。對(duì)于第一種方法，當(dāng)實(shí)際采用Wheatstone全橋進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，因制作工藝和應(yīng)變計(jì)安裝誤差的影響，片上四個(gè)電阻的阻值和溫度系數(shù)都不可能絕對(duì)一致(受溫度影響而導(dǎo)致的變化量不可能絕對(duì)一致)，所以橋路存在無(wú)法消除的零點(diǎn)誤差和溫度漂移。而對(duì)于第二種方法，不但因增加額外的溫度傳感器使得應(yīng)變計(jì)難以單片集成，而且溫度傳感器所測(cè)溫度與傳感器的工作溫度存在一定偏差，由此產(chǎn)生的誤差補(bǔ)償算法可能無(wú)法補(bǔ)償。

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)易受溫度影響的缺點(diǎn)是制約其在實(shí)際工程中使用和進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一。為了對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的溫度漂移(零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移)進(jìn)行高精度補(bǔ)償，需綜合應(yīng)用上述兩種溫度補(bǔ)償方法。此外，為了準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變敏感器件的溫度，在應(yīng)變計(jì)片上集成溫度敏感器件，并盡量減小應(yīng)變敏感器件與溫度敏感器件之間的溫差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種帶CMOS溫度傳感器的溫度補(bǔ)償型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案為：

一種帶CMOS溫度傳感器的溫度補(bǔ)償型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，包括：由四個(gè)壓敏電阻組成的應(yīng)變敏感器件，四個(gè)壓敏電阻尺寸相同，相互連接并組建Wheatstone全橋；由兩個(gè)CMOS晶體管組成的溫度敏感器件，兩個(gè)CMOS晶體管尺寸相同，位于Wheatstone全橋的四個(gè)壓敏電阻中間；CMOS晶體管和Wheatstone全橋共用一個(gè)恒壓激勵(lì)源，且其負(fù)激勵(lì)端接地，兩個(gè)CMOS晶體管的基極直接連至全橋輸入端的接地端，兩個(gè)CMOS晶體管的集電極均由外部固定電阻連接至恒壓激勵(lì)源，且這兩個(gè)外部固定電阻阻值不同。

所述應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件均集成在半導(dǎo)體材料的應(yīng)變計(jì)基底上。

所述應(yīng)變計(jì)基底的材料選用高阻n型硅晶片。

所述應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件均由離子摻雜或擴(kuò)散工藝制作。

應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件的輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器、信號(hào)緩沖器、模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，處理器根據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)先校準(zhǔn)的補(bǔ)償系數(shù)，對(duì)應(yīng)變計(jì)的溫度輸出進(jìn)行補(bǔ)償。

所述信號(hào)緩沖器為放大器、信號(hào)隔絕器或電壓跟隨器。

本實(shí)用新型所取得的有益效果為：

1、應(yīng)變計(jì)的表頭集成了溫度敏感器件，所用器件少且無(wú)需安裝額外的溫度傳感器。2、應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件均采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，不僅減少應(yīng)變計(jì)制作工藝的復(fù)雜程度，還能降低封裝價(jià)格，實(shí)現(xiàn)低成本的大批量生產(chǎn)，從而具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。3、CMOS集成溫度傳感器具有低電源、低功耗、芯片占用面積小、與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容、并易于在同一芯片上進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)和信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)。4、與分立元件相比，集成電路中的元件具有良好的對(duì)稱性。由于元件在同一硅片上用相同的工藝制造，所以它們的性能比較一致；而且由于元件密集使環(huán)境溫度差別很小，所以同類(lèi)元件溫度對(duì)稱性比較好。5、CMOS晶體管置于組建Wheatstone電橋的四個(gè)壓敏電阻的中央位置，以測(cè)量的溫度為四個(gè)壓敏電阻的平均溫度。故在有溫度梯度情況下，減小了因四個(gè)電阻的溫度差異而導(dǎo)致的補(bǔ)償誤差。6、通過(guò)用不同的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相鄰且等尺寸的晶體管，以消除因晶體管各項(xiàng)寄生物理量及工藝偏差等引起的誤差，從而增加了測(cè)量溫度的精準(zhǔn)度。

附圖說(shuō)明

圖1為帶CMOS溫度傳感器的溫度補(bǔ)償型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半剖圖，其中應(yīng)變計(jì)上表面的四周為組建Wheatstone全橋的壓敏電阻，中間位置為CMOS晶體管；

圖2為結(jié)合了外圍信號(hào)處理電路的應(yīng)變計(jì)溫度補(bǔ)償方法示意圖；

圖中：1、應(yīng)變計(jì)基底；101～104、Wheatstone全橋引線電極；201～206、CMOS晶體管引線電極；211～215、制作CMOS晶體管的摻雜區(qū)；11～12、信號(hào)放大器；13～14、信號(hào)緩沖器；15、模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器(ADC)，16、存儲(chǔ)器；17、處理器；R1～R4、構(gòu)成應(yīng)變計(jì)片上Wheatstone電橋的四個(gè)敏感電阻；R5～R6、外圍電路中兩個(gè)阻值不同的固定電阻。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型所述帶CMOS溫度傳感器的溫度補(bǔ)償型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)包括：(1)由四個(gè)壓敏電阻R1～R4組成的應(yīng)變敏感器件。四個(gè)壓敏電阻R1～R4尺寸相同、相互連接并組建Wheatstone全橋，全橋的激勵(lì)源為恒壓源激勵(lì)且其負(fù)激勵(lì)端接地。

(2)由兩個(gè)CMOS晶體管組成的溫度敏感器件。兩個(gè)CMOS晶體管尺寸相同，位于Wheatstone全橋的四個(gè)壓敏電阻R1～R4中間；兩個(gè)CMOS晶體管的基極直接連至全橋輸入端的接地端。

所述應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件均集成在半導(dǎo)體材料的應(yīng)變計(jì)基底1之上。所述應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件均由離子摻雜或擴(kuò)散工藝制作。

CMOS晶體管和Wheatstone全橋共用一個(gè)恒壓電源。兩個(gè)CMOS晶體管集電極均由外部固定電阻R5～R6連接至恒壓電源，且這兩個(gè)外部固定電阻R5～R6阻值不同。溫度補(bǔ)償算法由處理器17完成，應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件的輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器11～12、信號(hào)緩沖器13～14、模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器15轉(zhuǎn)換后，處理器17根據(jù)存儲(chǔ)器16內(nèi)預(yù)先校準(zhǔn)的補(bǔ)償系數(shù)，對(duì)應(yīng)變計(jì)的溫度輸出進(jìn)行補(bǔ)償。

應(yīng)變計(jì)基底1的材料可選用高阻n型硅晶片。圖1中展示了組建Wheatstone全橋的四個(gè)等尺寸的敏感電阻(R1，R2，R3和R4)中的其中三個(gè)電阻，這四個(gè)敏感電阻可通過(guò)將p型雜質(zhì)定域離子注入或擴(kuò)散到高阻n型硅基底上的方法制成。在四個(gè)敏感電阻(R1～R4)的中間位置有兩個(gè)CMOS晶體管Q1和Q2，分別為p+離子的基級(jí)212、n+離子的集電極211和215、n+離子的發(fā)射極213和214。

四個(gè)敏感電阻R1～R4相互正交并首尾相連，從而組建Wheatstone全橋，在全橋的一端(如電極111)上施加恒定電壓，而將全橋的另一端(如電極113)接地。全橋的兩個(gè)輸出端，電極112和113，引出至信號(hào)緩沖器13～14。信號(hào)緩沖器13～14可為放大器、信號(hào)隔絕器或電壓跟隨器。

當(dāng)對(duì)全橋施加了恒定電壓后，當(dāng)有應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)片上全橋輸出與應(yīng)變大小成比例的電壓U_ε。在理想情況下，如組成全橋的四個(gè)敏感電阻R1～R4電阻值相同且電阻溫度系數(shù)也相同，全橋的溫度輸出為零，即U_ε不包含溫度輸出量。但是由于工藝誤差和安裝等因素，四個(gè)橋臂上的敏感電阻存在差別，故U_ε在實(shí)施使用過(guò)程必定受到溫度的影響。這部分影響需要CMOS溫度傳感器進(jìn)行精細(xì)化補(bǔ)償。

在應(yīng)變計(jì)的四個(gè)敏感電阻R1～R4中間位置制作PN結(jié)以形成雙極型晶體管。雙極型晶體管對(duì)溫度十分敏感、具有較好的穩(wěn)定性且對(duì)應(yīng)變不太敏感，若發(fā)射極電流I_e恒定，可利用其發(fā)射極和基級(jí)間的電壓U_T檢測(cè)片上溫度。為減小PN結(jié)的各項(xiàng)寄生物理量影響，采用兩個(gè)匹配的NPN型晶體管(Q1和Q2)的E-B結(jié)壓降作為與溫度相關(guān)的基本信號(hào)。

由于雙極晶體管的物理結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)PN結(jié)，并由于PN結(jié)的材料特性，使得晶體管在加載正向電壓時(shí)，其基-射級(jí)電壓會(huì)隨著溫度而改變，其方程式為

上述(1)式中，U_be為基-射極電壓，K為波爾茲曼常數(shù)(Boltzmann's Constant)，T為環(huán)境溫度，且其單位為凱氏(Kelvin)溫度，q為電子電荷量，I_c為集電極電流，I_s為飽和電流。

因此，若發(fā)射極電流I_e恒定，可利用其發(fā)射極和基極間的電壓檢測(cè)片上溫度。為減小PN結(jié)的各項(xiàng)寄生物理量和工藝誤差的影響，可利用兩個(gè)位置相鄰且尺寸相同的NPN型晶體管的EB結(jié)壓降差作為與溫度相關(guān)的基本信號(hào)，即

其中I₁和I₂由外圍電路給出，分別為U_in/R5和U_in/R6。故合理選擇不同阻值的R5和R6，可以準(zhǔn)確測(cè)量溫度的大小。

為了對(duì)應(yīng)變計(jì)的溫度輸出進(jìn)行高精度的補(bǔ)償，需要結(jié)合硬件電路和補(bǔ)償算法對(duì)其輸出進(jìn)行后處理。硬件電路主要包括CMOS晶體管的驅(qū)動(dòng)電路(由信號(hào)放大器11～12，信號(hào)緩沖器13～14及若干電阻R5、R6等組成)、模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器15、存儲(chǔ)器16、及處理器17等組成。

在使用之前需應(yīng)變計(jì)進(jìn)行靜態(tài)溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)，在應(yīng)變計(jì)的使用溫度范圍內(nèi)選擇若干溫度點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)變計(jì)的輸出計(jì)算溫度系數(shù)，并將系數(shù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器16內(nèi)；在考核或?qū)嶋H使用過(guò)程中，通過(guò)調(diào)取存儲(chǔ)器16內(nèi)的溫度系數(shù)，并通過(guò)處理器17運(yùn)行溫度補(bǔ)償算法，可得到應(yīng)變計(jì)的溫度補(bǔ)償后的輸出。

靜態(tài)溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)一般要求在恒溫條件進(jìn)行，以保證應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件的溫度一致性。理論上，應(yīng)變計(jì)的使用環(huán)境也應(yīng)為恒溫情況，否則溫度補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致額外的誤差。本實(shí)用新型將溫度敏感器件置于Wheatstone全橋的四個(gè)壓敏電阻中間位置，從而測(cè)量四個(gè)壓敏電阻的平均溫度，以減小這種應(yīng)變敏感器件和溫度敏感器件的溫差而引起的額外誤差。