[发明专利]一种温度自补偿半导体压阻应变计

说明书

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种温度自补偿的半导体压阻应变计，包括应变计基底、电极、敏感栅,以及在应变计使用过程中需要的直流电压源和检测元件，所述应变计基底为半导体材料，所述敏感栅由离子掺杂或扩散工艺在半导体材料上制作而成，所述敏感栅为两个或四个尺寸相同且相互正交的敏感电阻。本发明提出的应变计通过自身相互正交的敏感栅结构，能够实时补偿由半导体材料自身的电阻温度效应以及应变计和测试件受热膨胀导致的测量误差，能够满足风洞试验中温度变化的条件下对微小应变进行精确测量的要求。

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种在风洞试验中温度变化的情况下对微小应变进行精确测量的温度自补偿的半导体压阻应变计。

背景技术

应变计在测量结构应力/应变的同时，也受到温度的影响，而且其温度输出是限制其性能的一个主要因素。在进行风洞试验，尤其是高超声速风洞试验时，目前国内采用的基于应变计的气动力测量装置存在很严重的温度干扰，且这种温度干扰是随风洞试验中气流总温的升高和试验模型滞留热气流中的时间增长而非线性的增加，直接影响到试验数据的可靠性。

半导体应变计以半导体晶体的压阻效应为基础。早期的半导体压阻应变计称为体型半导体应变计，它由半导体硅、锗等晶体切割成栅体制作而成。之后，人们利用半导体集成电路的平面工艺，开发了电阻与硅片一体化的扩散型半导体应变计。体型应变计与扩散型应变计的不同点是：扩散型应变计上的电阻是用扩散法制成的，而体型应变计则是用机械、化学等方法将单晶硅加工成栅状，然后再将它粘贴在弹性元件上的。半导体压阻应变计具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高等特点，但其最大的缺点是易受温度变化的影响。

半导体压阻应变计易受温度影响的缺点是制约其在风洞试验中使用和进一步发展的瓶颈问题之一。在温度变化大的风洞环境中使用时，必须进行温度补偿。常用的补偿方法有线路补偿、提高掺杂浓度、采用防/隔热措施等，这些方法不仅增加了制作工艺/测量装置的复杂性，而且仍不能从根本上克服温度效应所带来的测量误差。因此，解决半导体压阻应变计所固有温度效应问题，对风洞试验过程中气动力特性准确测量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对半导体压阻应变计所固有的温度效应问题，设计一种高精度温度自补偿的应变计结构，以满足在大温度变化范围内对微小应变进行精确测量的要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种温度自补偿的半导体压阻应变计，所述应变计包括高阻n型硅基底，设置在基底上的四个电极及两条形状、尺寸相同的敏感栅A和敏感栅B，所述的敏感栅A和敏感栅B为将p型杂质定域离子注入或扩散到所述基底上形成的一层p型电阻层；两条敏感栅正交分离分布且每个敏感栅的两端分别与两个电极相连。

所述的敏感栅A和敏感栅B的形状为直条形。

所述的敏感栅A和敏感栅B的形状为瘦长弯折形。

所述的p型电阻层的厚度为1～3μm。

当使用该应变计时，直流电压源分别与敏感栅A和敏感栅B的一个电极连接，敏感栅A和敏感栅B的另两个电极短接后与检测元件的一端连接，检测元件的另一端接地；

在实际应变测量中，应变计需要通过粘贴固定到测试件表面，以使得测试件受力产生的变形能够传递到其上；当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅A和敏感栅B按均等比例发生形变，应变计输出信号不变，达到了温度自补偿的目的；

当应变计沿敏感栅A且背向敏感栅B的方向发生应变时，敏感栅A会相应的沿A方向的产生拉伸形变而导致其电阻增大，敏感栅B则会产生压缩形变而导致其电阻减小，此时检测元件将检测出与应变相对应的输出电压信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。