一种全桥式半导体应变片及其制作方法

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种全桥式半导体应变片及其制作方法。

背景技术

如图1所示，惠斯通电桥通常用于信号测量，其包括首尾顺次连接的四个电阻R1～R4，其分别设置在惠斯通电阻的四个桥臂上。其中，至少R1和R3为可变电阻，R2和R4为固定电阻或可变电阻，在其四个连接处(即对应的焊点或焊盘P1～P4)的电势分别为V1、Vd、V2及Vc,其中可以Vd为接地端，以Vc-Vd为输入电压，V2-V2为输出电压。为了保证输出电压的线性变化，R1与R3相等，R2与R4相等，此时，假设R1/R2＝R3/R4＝k，则：

若要使当始初始输出为零时，则k的初始值应为1，即R1～R4的初始值均相同。

对于力或压强的测量，应变片被广泛使用，其也称为电阻应变片，其通过外形片状的电阻作为桥臂电阻应变片电阻组成上述的惠斯通电桥进行测量。对于电阻应变片而言，其可被制作为四个四分之一电阻应变片，即每个应变片仅含有一个桥臂电阻，为增大阻值桥臂电阻多为蜿蜒状，两端各设一个焊盘，以与电路组件连接。

更多地，惠斯通电桥被制作为两个半桥应变片，每个应变片上设有两个电阻，即将焊盘P2和P4分别分成两部分，即总共设有六个焊盘。半导体应变片，则具有利用硅等半导体的在压力下电阻变化(此时材料形状变化引起的阻值变化可忽略不计)的特性，因此可以作为上述的半导体桥臂电阻进行压力测量。

图2示出一种现有的半桥式硅应变片01的结构，其由微加工技术制得，包括位于底层的半导体硅010，其具有两个关于一横向直线镜像对称的应变电阻011、012，电阻011、012由蜿蜒连接且纵向延伸的硅条011a～011d组成。硅条011a～011d在横向上的连接处上侧则覆盖有金属层015以避免半导体硅的横向连接部对电阻011、012的影响，在电阻011两端的金属层015还形成第一焊盘014、第二焊盘013，以与电子模块之间通过引线进行连接。其中，两个电阻011共有一个第二焊盘013，第二焊盘013的横向一端朝纵向两侧分别延伸并与第一焊盘014的外侧平齐。其中，为使焊盘具有合适的长度、焊盘间距，在一些不可避免的空余位置上还设有不纳入电阻阻值的支撑硅条011e以起到支撑作用。如图3所示，其在使用时，两个半桥式硅应变片01分别布置于板状弹性体02的表面的中心应变点Pc的纵向两侧，以使每个半桥式硅应变片01的电阻011处于低应变区02b，电阻012处于高应变区02a(即在距离上相对地更接近中心应变点Pc)，以使电阻011、012的变化量不同。两个半桥式硅应变片01最好分别地位于地位于经过中心应变点Pc的一纵向延伸的中心线Pm上。

图4示出已知的全桥式硅应变片的结构，其基本上由两个横向并排且大体对称地设置于中心线Pm上的半桥式应变片01组成，为了使两个高应变区02a的电阻分别地位于惠斯通电桥的两个不相邻的桥臂上，其通过一个位于高应变区02a的应变电阻012与另一半桥式应变片01的位于低应变区02b的应变电阻011共用一个第一焊盘014(图4中最中间的焊盘)，且使所有的五个焊盘向纵向中部收拢并沿横向排开，所有焊盘的长度方向沿纵向设置以尽量地使高应变区02a与低应变区02b的纵向距离差别更大以获得较大的测量精度，同时使得单个半桥式应变片01的宽度可减为包括四列硅条的宽度W1。由于焊盘需要通过线(通常是金线)与外部连接，因此其应当具有适合的长度和最小的宽度，且焊盘之间需要满足绝缘要求。由此，在使各焊盘横向并排隔开后，需要在横向中间留出共用的第一焊盘014的设置宽度W2，同时也由于横向距离较大而在相应位置需要设置支撑硅条011e，因此，这种全桥式半导体应变片，所需要的总宽度为2W1+W2，且总共为五个焊盘，这使得其需要与外部进行五次引线键合。

本部分中的陈述仅提供与本申请相关的背景信息并且可以不构成现有技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请提供了一种全桥式半导体应变片，以在满足使用要求的前提下，将全桥式半导体应变片的焊盘数降低为四个，同时减少其总宽度。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种全桥式半导体应变片，包括，其包括:

厚度方向沿前后方向设置的半导体层，包括形成惠斯通全桥的四个焊盘基础和四个桥臂电阻；

四个焊盘基础包括分别地位于一参考点之左右两侧的第四焊盘基础和第三焊盘基础、位于第四焊盘基础左上方一侧的第一焊盘基础以及位于第三焊盘基础右上方一侧的第二焊盘基础；

四个桥臂电阻包括且位于参考点左上方且两端分别延伸于第一焊盘基础和第四焊盘基础的第一桥臂电阻，位于参考点右上方且两端分别延伸至第三焊盘基础和第二焊盘基础的第三桥臂电阻，位于参考点下方且两端分别延伸至第四焊盘基础和第三焊盘基础的第四桥臂电阻，以及位于参考点下方且两端分别延伸至第一焊盘基础和第二焊盘基础的第二桥臂电阻；其中，四个桥臂电阻均包括由上下延伸且顺次连接的多个电阻条以及左右延伸地连接至相邻两个电阻条的多个横向连接部；

附接于半导体层前侧表面的金属层，包括分别对应覆盖于四个焊盘基础前侧表面的四个焊盘以及分别对应覆盖于横向连接部前侧表面的多个覆盖部，横向连接部均位于四个焊盘基础的上下外侧；

其中，电阻条分布于上下延伸且左右间隔排列的多条纵线上，第二桥臂电阻从下侧包围第四桥臂电阻。

优选地，所述多条纵线等距设置且

优选地，所述电阻条宽度相同。

优选地，所述第一桥臂电阻和所述第三桥臂电阻左右对称设置。

优选地，每个桥臂电阻的电阻条总长度与其他桥臂电阻的电阻条总长度相同。

优选地，所述四个桥臂电阻各包括四个电阻条及连接相邻的每两个电阻条之间的三个横向连接部，这四个电阻条在三个横向连接部处形成"U"形弯。

优选地，所述的多条纵线共八条，第一桥臂电阻的四个电阻条依次布置于第一至第四条纵线上，第三桥臂电阻的四个电阻条依次布置于第五至第八条纵线上；第二桥臂电阻的四个电阻条依次布置于第一、第四、第五及条八条纵线上；第四桥臂电阻的四个电阻条依次布置于第二、第三、第六及条七条纵线上；第四桥臂电阻和第二桥臂电阻在参考点下方并排地延伸。

优选地，所述半导体层为硅或碳化硅。

优选地，所述半导体层后侧表面附接有绝缘基底。

本申请还要求保护一种用于上述全桥式半导体应变片的制作方法，其包括步骤：提供绝缘基底，将半导体层附接于绝缘基底的前侧表面；从半导体层的前侧表面进行离子注入以形成所述电阻条；半导体层的前侧表面沉积所述金属层和电阻保护层；通过蚀刻去除多余部分；将绝缘基底减薄至合适厚度。

本申请的全桥式半导体应变片，其相比于现有技术，能够将焊盘从五个减少至四个，同时还可以降低总体宽度，进而降低成本。

附图说明

图1为惠斯通全桥电路的示意图；

图2、图3为一种现有的半桥式硅应变片的结构示意图及其在板状弹性体表面上的布置示意图；

图4为一种现有的全桥式硅应变片的示意图；

图5为本申请的第一优选实施例的全桥式半导体应变片的示意图；

图6为本申请的另一优选实施例的全桥式半导体应变片的立体图；

附图标记说明：100、半导体应变片；11、有效电阻部分；12、无效电阻部分；1、半导体层；2a、高应变区；2、金属层；3、绝缘基底；11a、第一电阻臂；11b、第二电阻臂；11c、第三电阻臂；11d、第四电阻臂；12a、第一横向连接部；12b、第二横向连接部；12c、第三横向连接部；13a、第一覆盖部；13b、第二覆盖部；13c、第三覆盖部；21a、第一电阻臂；21b、第二电阻臂；21c、第三电阻臂；21d、第四电阻臂；23a、第一覆盖部；23b、第二覆盖部；23c、第三覆盖部；22a、第一横向连接部；22b、第二横向连接部；22c、第三横向连接部；41a、第一电阻臂；41b、第二电阻臂；41c、第三电阻臂；41d、第四电阻臂；43a、第一覆盖部；43b、第二覆盖部；43c、第三覆盖部；42a、第一横向连接部；42b、第二横向连接部；42c、第三横向连接部；51a、第一焊盘基础；51、第一焊盘；52a、第二焊盘基础；52、第二焊盘；53a、第三焊盘基础；53、第三焊盘；54a、第四焊盘基础；54、第四焊盘；

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。下列的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。在以下描述中，相同的标记用于表示相同或等效的元件，并且省略重复的描述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该本申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

另外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

还应当进一步理解，在本申请说明书和对应的权利要求书中使用的术语“和/或”是指所列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合。

如图5所示，本实施例的全桥式半导体应变片100包括厚度方向沿前后方向设置的半导体层1以及附接于半导体层1前侧表面的金属层2。其中，半导体层1形成四个焊盘基础51a～54a及连接延伸于他们之间以形成惠斯通全桥的桥臂电阻R1～R4。桥臂电阻R1～R4仅在相正交两个方向(如图所示的以一参考点O为原点的直角坐标系的X方向和Y方向)上延伸，并通过焊盘基础51a～54a形成闭环结构。每个桥臂电阻R1～R4均包括Y方向上延伸的有效电阻部分11和在X方向上延伸的横向连接部12。横向连接部12和四个焊盘基础51a～54a的前侧表面均覆盖有作为金属层2一部分的覆盖部。由于金属层2的电阻率远小于桥臂电阻，因此其与后侧附接的横向连接部12之间并联而使该部分对桥臂电阻的阻值无贡献，焊盘基础51a～54a上的覆盖部则作为焊盘51～54以与外部通过引线进行连接。第一焊盘基础51～54覆盖于对应的焊盘基础51a～54a的大部分，或者覆盖其全部前侧表面。上述金属层的材质可以为铝、金、铂或其他已知的合适金属。

在以参考点O为原点的直角坐标系(X,Y)中，为方便说明和准确表达，如图5中所示，以下的“纵向”、“左右”方向均即X方向，“横向”、“上下”方向均指Y方向，“左”即为-X方向，“右”为+X方向，“上”为+Y方向，“下”为-Y方向。第一桥臂电阻R1位于第二象限，即位于参考点O的左上方。第一桥臂电阻R1两端分别延伸连接至第一焊盘基础51a和第四焊盘基础54a。第一焊盘基础51a和第四焊盘基础54a分别地布置于参考点O之左右两侧。第一桥臂电阻R1第四焊盘基础54a引出，其在第二象限中，依次地朝上延伸形成第一电阻条11a、朝左延伸形成第一横向连接部12a、朝下延伸形成第二电阻条11b、朝左延伸形成第二横向连接部12b、朝上延伸形成第三电阻条11c、朝左延伸形成第二横向连接部12c、朝下延伸形成第四电阻条11d后连接至第一焊盘基础51a。

第三桥臂电阻R3位于第一象限，并最好与R1对称设置。具体地，第三桥臂电阻R3的两端连接至第三焊盘基础53a和第二焊盘基础52a，第三焊盘基础53a和第二焊盘基础52a分别地设置于参考点O之左右两侧，且，第一焊盘基础51a接于第四焊盘基础54a的左上方，第二焊盘基础52a位于第三焊盘基础53a之右上方。第三桥臂电阻R3自第三焊盘基础53a引出，其在第一象限中，依次地朝上延伸形成第一电阻条11a、朝左延伸形成第一横向连接部12a、朝下延伸形成第二电阻条11b、朝左延伸形成第二横向连接部12b、朝上延伸形成第三电阻条11c、朝左延伸形成第三横向连接部12c、朝下延伸形成第四电阻条11d后连接至第二焊盘基础52a。

第二桥臂电阻R2、第四桥臂电阻R4均位于第三、第四象限。第二桥臂电阻R2连接于第一焊盘基础51a和第二焊盘基础52a之间。桥臂电阻R2自左侧的第一焊盘基础51a引出，依次地朝下延伸形成第一电阻条21a、朝右延伸形成第一横向连接部22a、朝上延伸形成第二电阻条21b、朝右延伸第二横向连接部22b、朝下延伸形成第三电阻条21c、朝右延伸形成第三横向连接部22c、朝上延伸形成第四电阻条21d后连接至第二焊盘基础52a。

第二桥臂电阻R4连接于第四焊盘基础54a和第三焊盘基础53a之间，其从桥臂电阻R2自左侧的第四焊盘基础54a引出后与第四桥臂电阻R4自左侧的第一焊盘基础51a引出后的间隔且并排地折转延伸，即折转顺序、方向相同，具体为：依次地朝下延伸形成第一电阻条41a、朝右延伸形成第一横向连接部42a、朝上延伸形成第二电阻条41b、朝右延伸第二横向连接部42b、朝下延伸形成第三电阻条41c、朝右延伸形成第三横向连接部42c、朝上延伸形成第四电阻条41d后连接至第三焊盘基础53a。

其中，第四桥臂电阻R4被第二桥臂电阻R2从下侧朝上包围。第一焊盘基础51a和第二焊盘基础52a之间留下有开口6，以供由第四焊盘基础54a、第三焊盘基础53a分别引出一个一第一电阻臂11a。相比于桥臂电阻R1～R4，对应的焊盘基础51a～54a位于靠近参考点O的一侧，或者说横向连接部均位于四个焊盘基础51a～54a的上下外侧。

较佳地，第一桥臂电阻R1和第三桥臂电阻R3的初始阻值(无应变时阻值)相同；更佳地，第一桥臂电阻R1和第三桥臂电阻R3左右完全对称。

较佳地，第二桥臂电阻R2和第四桥臂电阻R4的初始阻值相同，其还可以与第一桥臂电阻R1和第三桥臂电阻R3的阻值都相同。在桥臂电阻R1～R4的电阻条的宽度相同时，即意味着桥臂电阻R1～R4的有效电阻部分的总长度也相同。具体地，可以使第二焊盘52朝下延伸至与第三焊盘53的下端平齐，并使第三覆盖部23c的右端朝上延伸至与第三覆盖部43c的上端平齐，从而使第四电阻条21d和第四电阻条41d长度对应相同；同样的，可使第二覆盖部43b的右端朝下延伸至与第二横向连接部22b的下端平齐，并使第三横向连接部22c的左端朝上延伸至与第三横向连接部42c的上端平齐。类似地，第一覆盖部23a的左右两端分别朝上延伸并与第三覆盖部43c的上端平齐。

本实施例的半导体应变片100，其仅占用八列电阻条，其总宽度为2W1+W3，小于现有技术中的全桥式半导体应变片100的总宽度2W1+W2，因此所使用的半导体晶圆面积更小，且仅用四个焊盘即可以形成与外部电路的连接，能够将键合引线由五根减少到四根。

优选地，各电阻条宽度相同，且均布置于左右并排的八条纵线上，这八条纵线最好等距设置。例如第一桥臂电阻R1的各电阻条11a～11d依次布置于第八至第五条纵线上，第三桥臂电阻R3的各电阻条11a～11d依次布置于第五至第八条纵线上，第二桥臂电阻R2的各电阻条依次地布置于第一、第四、第五及第八条纵线上，第四桥臂电阻R4的各电阻条依次地布置于第二、第三、第六及第七条纵线上。且，桥臂电阻R1～R4均在三个横向连接部处形成"U"形弯。其中，第二桥臂电阻R2最好在第四桥臂电阻R4的下侧与之并排延伸。

本实施例的半导体应变片100在使用安装时，可使其与经过经过中心应变点Pc的一纵向延伸的中心线Pm上。上述的半导体层1的材质可以为硅或碳化硅，或其他具有压阻效应的半导体材料。

如图6所示，在其他的一些优选实施例中，优选地，还可以使上述半导体层1设置于绝缘基底3上，上述绝缘基底3可以为玻璃等，这样可以提高半导体应变片的机械性能，同时可省略支撑硅条。具有绝缘基底3的全桥式半导体应变片的制作方法包括步骤：一、提供绝缘基底3，将半导体层1附接于绝缘基底3的前侧表面；二、从半导体层1的前侧表面进行离子注入以形成所述电阻条(在离子注入之前先制作一层保护层，并在注入后将保护层除去)；三、在半导体层1的前侧表面沉积金属层2和电阻保护层(例如氧化层、氮化层)；四、通过蚀刻去除多余部分；五、将绝缘基底3减薄至合适的厚度。

可以理解的是，在其他的一些方案中，还可以使各桥臂电阻R1～R4进行更多次地弯折，例如，可以使桥臂电阻R1和R3分别弯折形成四个"U"形弯、五个"U"形弯或更多个"U"形弯等，或者在不考虑半导体晶圆的面积利用率的情况下，还能够使其进行更少次地弯折，例如可以使第三桥臂电阻R3从左侧延伸至第三横向连接部12c处即可，并使第二焊盘52朝上一直延伸并连接至第三覆盖部13c。

本公开内容的范围不是由详细描述限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等同方案范围内的所有变型都解释为包含在本公开内容中。