扭矩传感器及其制造方法与流程

本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种扭矩传感器及其制造方法。

背景技术：

基于mems(micro-electro-mechanicalsystem,微机电系统)的扭矩传感器得到广泛使用，例如助力式电动自行车采用扭矩传感器，人踩脚踏板产生的力矩通过电动自行车的转动轴转换成扭矩，扭矩的大小反馈到电动自行车的控制电机，从而达到助力的目的。压阻式扭矩传感器的原理是转动轴受到扭矩后，粘贴在转动轴上的传感器的电阻值发生变化，通过检测电阻形成的惠斯通电桥输出的差分信号，即可测得转动轴上的扭矩。

mems压阻式扭矩传感器可以采用单晶硅注入电阻的方式实现，且一般采用四个扩散电阻组成的惠斯通电桥输出差分信号实现扭矩感测信号的检测及输出。单晶硅上的电阻不仅仅会感应到纵向应变，即电流方向上的应变，也会感应到在横向和剪边方向上的部分应变，而这样会在硅应变计中产生大量的串扰。弯矩就是使转动轴弯曲所需要的力矩。实际在使用中，扭矩传感器一般以如图1所示的杆状结构为载体，其不仅会受到沿杆周向的使其扭曲的扭矩，还会存在使其弯曲的力矩，即弯矩，可实际需要的只是扭矩，弯矩会对传感器的输出结果产生干扰，降低准确性。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种扭矩传感器及其制造方法，消除弯矩、温度等对扭矩传感器输出的扭矩感测值的影响，提高扭矩传感器输出的扭矩感测值的准确性。

根据本发明的第一方面，提供一种扭矩传感器，包括：衬底；外延层，位于所述衬底上；多个第一掺杂区和多个第二掺杂区，分别位于所述外延层中；多个第一欧姆接触区，位于所述第一掺杂区的两端；多个第二欧姆接触区，位于所述第二掺杂区的两端；以及第一隔离结构，位于所述外延层和所述衬底中，包围所述第一掺杂区和第二掺杂区，其中，多个所述第一掺杂区和所述第一欧姆接触区形成多个第一欧姆接触电阻，所述多个第一欧姆接触电阻构成扭矩感测单元，输出扭矩感测信号；多个所述第二掺杂区和所述第二欧姆接触区形成多个第二欧姆接触电阻，所述多个第二欧姆接触电阻构成弯矩感测单元，输出弯矩感测信号。

可选地，至少四个所述第一欧姆接触电阻构成第一惠斯通电桥结构，至少四个所述第二欧姆接触电阻构成第二惠斯通电桥结构。

可选地，所述衬底为(100)晶面p型硅。

可选地，四个所述第一欧姆接触电阻构成第一惠斯通电桥结构，四个所述第二欧姆接触电阻构成第二惠斯通电桥结构，所述四个第一欧姆接触电阻和所述四个第二欧姆接触电阻间隔排列且围成一个八边形。

可选地，所述四个第一欧姆接触电阻中，第一所述第一欧姆接触电阻和第二所述第一欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向平行，第三所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向垂直。

可选地，所述四个第二欧姆接触电阻中，第一所述第二欧姆接触电阻和第二所述第二欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向的夹角为23°～45°，第三所述第二欧姆接触电阻和第四所述第二欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向的夹角为135°～157°。

可选地，还包括：温度感测单元，位于所述第一隔离结构内的所述外延层中，用于感测温度变化，输出温度感测信号。

可选地，所述温度感测单元包括：二极管或三极管。

可选地，所述温度感测单元包括：第三掺杂区，位于所述外延层中；第三欧姆接触区，位于所述第三掺杂区中，作为所述三极管的基区；第五欧姆接触区，位于邻近所述第三掺杂区的外延层中，作为所述三极管的集电区；第六欧姆接触区，位于所述第三掺杂区中，作为所述三极管的发射区。

可选地，所述三极管的基极和集电极短接。

可选地，还包括：第二隔离结构，位于所述外延层和所述衬底中，所述第二隔离结构围绕所述温度感测单元。

可选地，所述第一隔离结构和第二隔离结构分别包括：上隔离结构，位于所述外延层中；下隔离结构，位于所述衬底和所述外延层中，所述上隔离结构与所述下隔离结构连接。

可选地，还包括：第四欧姆接触区，所述第四欧姆接触区位于所述外延层中。

可选地，还包括：多个埋层，位于所述温度感测单元下方的所述衬底和所述外延层之间，所述埋层部分位于所述衬底中。

可选地，还包括：绝缘层，位于所述外延层上；多个导电通道，位于所述绝缘层中，分别与相应的欧姆接触区接触，用于所述扭矩感测单元的多个第一欧姆接触电阻之间的电连接，所述弯矩感测单元的多个第二欧姆接触电阻之间的电连接，以及所述温度感测单元、扭矩感测单元和弯矩感测单元与外部的电连接。

可选地，第一所述第一欧姆接触电阻、第三所述第一欧姆接触电阻、第二所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻通过相应的导电通道和导线依次串联形成闭合环路，所述第一所述第一欧姆接触电阻和第三所述第一欧姆接触电阻之间的节点与所述第二所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻之间的节点之间输出扭矩感测信号，所述第一所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻之间的节点与所述第二所述第一欧姆接触电阻和第三所述第一欧姆接触电阻之间的节点之间输入直流电压。

可选地，第三所述第二欧姆接触电阻、第二所述第二欧姆接触电阻、第四所述第二欧姆接触电阻和第一所述第二欧姆接触电阻通过相应的导电通道和导线依次串联形成闭合环路，所述第二所述第二欧姆接触电阻和第三所述第二欧姆接触电阻之间的节点与所述第一所述第二欧姆接触电阻和第四所述第二欧姆接触电阻之间的节点之间输出弯矩感测信号，所述第一所述第二欧姆接触电阻和第三所述第二欧姆接触电阻之间的节点与所述第二所述第二欧姆接触电阻和第四所述第二欧姆接触电阻之间的节点之间输入直流电压。

可选地，所述第二隔离结构的上隔离结构与第六欧姆接触区通过导电通道和导线连接，并与地连接。

可选地，还包括：多个焊盘，通过导线与部分所述导电通道连接，用于给所述扭矩感测单元、弯矩感测单元和所述温度感测单元施加驱动信号以及输出所述扭矩感测信号、所述弯矩感测信号和所述温度感测信号。

可选地，所述衬底为可受扭矩力和弯矩力形变的衬底。

可选地，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区、所述第三掺杂区、所述第一欧姆接触区、第二欧姆接触区和所述第三欧姆接触区为p型掺杂，所述外延层、所述第五欧姆接触区和所述第六欧姆接触区为n型掺杂区。

可选地，所述第四欧姆接触区为n型掺杂区。

根据本发明的另一方面，提供一种扭矩传感器的制造方法，其中，包括：在衬底上形成外延层；在所述衬底和外延层中形成第一隔离结构；在所述外延层中形成多个第一掺杂区和多个第二掺杂区；以及在所述第一掺杂区的两端和所述第二掺杂区的两端分别形成多个第一欧姆接触区和多个第二欧姆接触区，其中，多个所述第一掺杂区和所述第一欧姆接触区形成多个第一欧姆接触电阻，所述多个第一欧姆接触电阻构成扭矩感测单元，输出扭矩感测信号；多个所述第二掺杂区和所述第二欧姆接触区形成多个第二欧姆接触电阻，所述多个第二欧姆接触电阻构成弯矩感测单元，输出弯矩感测信号，所述第一隔离结构包围所述第一掺杂区和第二掺杂区。

可选地，至少四个所述第一欧姆接触电阻构成第一惠斯通电桥结构，至少四个所述第二欧姆接触电阻构成第二惠斯通电桥结构。

可选地，所述衬底为(100)晶面p型硅。

可选地，四个所述第一欧姆接触电阻构成第一惠斯通电桥结构，四个所述第二欧姆接触电阻构成第二惠斯通电桥结构，四个所述第一欧姆接触电阻和四个所述第二欧姆接触电阻间隔排列且围成一个八边形。

可选地，所述四个第一欧姆接触电阻中，第一所述第一欧姆接触电阻和第二所述第一欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向平行，第三所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向垂直。

可选地，所述四个第二欧姆接触电阻中，第一所述第二欧姆接触电阻和第二所述第二欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向的夹角为23°～45°，第三所述第二欧姆接触电阻和第四所述第二欧姆接触电阻与所述p型硅的[110]晶向的夹角为135°～157°。

可选地，还包括：在位于所述第一隔离结构内的外延层中形成温度感测单元，用于感测温度变化，输出温度感测信号。

可选地，所述温度感测单元包括：二极管或三极管。

可选地，还包括：在所述外延层中形成第三掺杂区；在所述第三掺杂区中形成第三欧姆接触区，作为所述三极管的基区；在邻近所述第三掺杂区的外延层中形成第五欧姆接触区，作为所述三极管的集电区；在所述第三掺杂区中形成第六欧姆接触区，作为所述三极管的发射区。

可选地，所述三极管的基极和集电极短接。

可选地，还包括：在所述外延层和所述衬底中形成第二隔离结构，所述第二隔离结构围绕所述温度感测单元。

可选地，在形成第三欧姆接触区与形成第五欧姆接触区的步骤之间，还包括：在所述第一掺杂区附近的所述外延层中形成第四欧姆接触区。

可选地，所述衬底为可受扭矩力和弯矩力形变的衬底。

可选地，形成所述第一隔离结构和第二隔离结构的步骤包括：在所述衬底和所述外延层中形成下隔离结构；所述外延层中形成上隔离结构，所述上隔离结构与所述下隔离结构连接。

可选地，所述在衬底中形成下隔离结构和在所述衬底上形成外延层的步骤之间，还包括：在所述衬底中形成多个埋层，分别位于所述扭矩感测单元，所述弯矩感测单元和所述温度感测单元对应的所述衬底和所述外延层之间，所述埋层部分位于所述衬底中。

可选地，在形成第一欧姆接触区至第六欧姆接触区的步骤之后，还包括：在所述外延层上形成绝缘层；在所述绝缘层中形成多个通孔；在多个所述通孔中形成多个导电通道，分别用于所述扭矩感测单元的多个第一欧姆接触电阻之间的电连接，所述弯矩感测单元的多个第二欧姆接触电阻之间的电连接以及所述温度感测单元与外部的电连接。

可选地，第一所述第一欧姆接触电阻、第三所述第一欧姆接触电阻、第二所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻通过相应的导电通道和导线依次串联形成闭合环路，所述第一所述第一欧姆接触电阻和第三所述第一欧姆接触电阻之间的节点与所述第二所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻之间的节点之间输出扭矩感测信号，所述第一所述第一欧姆接触电阻和第四所述第一欧姆接触电阻之间的节点与所述第二所述第一欧姆接触电阻和第三所述第一欧姆接触电阻之间的节点之间输入直流电压。

可选地，第三所述第二欧姆接触电阻、第二所述第二欧姆接触电阻、第四所述第二欧姆接触电阻和第一所述第二欧姆接触电阻通过相应的导电通道和导线依次串联形成闭合环路，所述第二所述第二欧姆接触电阻和第三所述第二欧姆接触电阻之间的节点与所述第一所述第二欧姆接触电阻和第四所述第二欧姆接触电阻之间的节点之间输出弯矩感测信号，所述第一所述第二欧姆接触电阻和第三所述第二欧姆接触电阻之间的节点与所述第二所述第二欧姆接触电阻和第四所述第二欧姆接触电阻之间的节点之间输入直流电压。

可选地，在多个所述通孔中形成多个导电通道的步骤之后，还包括：形成多个焊盘，所述多个焊盘通过导线与部分所述导电通道连接，用于给所述扭矩感测单元，弯矩感测单元和所述温度感测单元施加驱动信号以及输出所述扭矩感测信号，所述弯矩感测信号和所述温度感测信号。

可选地，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区、所述第三掺杂区、所述第一欧姆接触区、第二欧姆接触区和所述第三欧姆接触区为p型掺杂，所述第四欧姆接触区、所述外延层、所述第五欧姆接触区和所述第六欧姆接触区为n型掺杂区。

本发明提供的扭矩传感器及其制造方法，扭矩传感器包括扭矩感测单元和弯矩感测单元，分别输出扭矩感测信号和弯矩感测信号，根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，得到更加精确的扭矩感测值。

进一步地，扭矩传感器包括温度感测单元，输出温度感测信号，可以根据温度感测信号对扭矩感测信号进行补偿，进一步地提高扭矩感测值的准确度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的扭矩传感装置的安装简图；

图2示出了根据现有技术的扭矩传感装置的结构示意图；

图3示出了根据现有技术的扭矩传感器的等效电路示意图；

图4示出了根据现有技术的扭矩传感器的结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的电路结构示意图；

图7示出了根据本发明实施例的扭矩传感装置的结构示意图；

图8示出了根据本发明实施例的扭矩传感系统的结构示意图；

图9a至图9h示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的制造方法各阶段的截面图；

图10和图11示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的俯视图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了根据现有技术的扭矩传感装置的安装简图。如图1所示，现有技术的扭矩传感装置(图中未示出)通过贴片103安装在转动轴104上。转动轴104的第一端101固定，第二端105与施力方连接，例如与踏板相连接，工作时，踏板受力，经转动轴104的第二端105传导，使转动轴104受到扭矩或弯矩而转动或弯曲。

转动轴104的侧壁上具有一个平面102，扭矩传感装置平整地安装在该平面102上，具体的，扭矩传感装置可以采用绝缘胶或银浆黏贴在平面102上。扭矩传感装置受物理原理限制，一般设计为平面结构。平面102的平面尺寸大于等于扭矩传感装置的平面尺寸。

图2示出了根据现有技术的扭矩传感装置的结构示意图。如图2所示，该扭矩传感装置包括基板110以及设置在该基板110上的扭矩传感器120和处理单元130，扭矩传感器120包括多个扭矩敏感件1，多个扭矩敏感件1构成扭矩感测单元，扭矩感测单元感测转动轴104的扭矩形变，输出扭矩感测信号。图2中箭头指示的方向为从转动轴104的第二端105一侧观看的顺时针方向。基板110可以采用铁片，与图1中的103对应。

参考图1和图2，转动轴104在扭矩和弯矩的作用下发生形变，平面102跟随转动轴104发生形变，基板110跟随平面102发生形变，扭矩敏感件1对形变产生电学参数的变化，从而输出相应的扭矩感测信号至处理单元130，处理单元130可将该模拟的扭矩感测信号转换处理为数字信号，以供进行数字处理分析。

图3示出了图2中扭矩传感器的等效电路示意图。如图3所示，扭矩传感器120包括第一惠斯通电桥结构，第一惠斯通电桥结构包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，第一电阻至第四电阻(r1-r4)相当于图2中的扭矩敏感件1构成的扭矩感测单元。第一电阻r1、第四电阻r4、第二电阻r2和第三电阻r3串联连接形成闭合环路。第一电阻r1和第四电阻r4之间的节点与第二电阻r2和第三电阻r3之间的节点之间输入直流电压vs。第一电阻r1和第三电阻r3之间的节点与第二电阻r2和第四电阻r4之间的节点之间输出差分信号vout，该差分信号vout即为扭矩感测信号。差分信号vout与直流输入电压vs的比值与第一电阻至第四电阻(r1-r4)之间的关系表达式为：

图4示出了图2中扭矩传感器的结构示意图。如图所示，现有技术的扭矩传感器120为平面结构，其中，该扭矩传感器120的衬底为(100)晶面的p型硅衬底，在该衬底上制作有第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，电阻的摆放决定了电流的方向，将电阻的摆放方向指代电阻的电流方向，第一电阻r1和第二电阻r2的电流方向与p型硅的[110]晶向方向平行，第三电阻r3和第四电阻r4的电流方向与与第一电阻r1和第二电阻r2的电流方向垂直，即与p型硅的[110]晶向方向垂直。

若以图4的方向为正向摆放，则扭矩传感器120在图2中为45°摆放。则[110]晶向压阻系数可以表示为：

其中，下标l表示纵向，对应应力方向与电流方向平行；下表t表示横向，对应应力方向与电流方向垂直，再结合电阻变化率公式：

则第一电阻r1和第二电阻r2的电阻变化率为：π44σ/2；第三电阻r3和第四电阻r4的电阻变化率为：-π44σ/2。π为压阻系数，压阻系数的物理含义是电阻变化率与单位压强的比例关系，即相同压强条件下，压阻系数越大，电阻率变化越大。单位1/pa。

对(100)晶面p型硅，π44为1.38e-3pa^-1。如果转动轴104的第二端105受到来自右端的顺时针的力，转动轴104受到相应的扭转力，则第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4受到压应力，压应力为负值，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值减小，第三电阻r3和第三电阻r4的阻值增加；如果转动轴104的第二端105受到来自右端的逆时针的扭转力，则第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4受到张应力，张应力为正值，此时第一电阻r1和第二电阻r2的阻值增加，第三电阻r3和第三电阻r4的阻值减小。45°角方向上的应力最大，相应的，电阻在受力后的变化最明显，可以确保最好的测量效果。

如果转动轴104受到弯矩力，而非扭矩力，以图1为参考，如果转动轴104的第二端105受到向下的压力，即转动轴104受到向下的弯矩力，则第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4受到张应力，同时因为扭矩传感器120为45°倾斜放置，第一电阻r1和第二电阻r2的电阻变化率为π44σ/2与45°余弦的乘积，第三电阻r3和第三电阻r4的电阻变化率为π44σ/2与45°正弦的乘积，也即第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4的阻值均减小；如果转动轴104的第二端105受到向上的压力，即转动轴104受到向上的弯矩力，分析如上，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4受到压应力，其阻值均减小。在弯矩力的影响下，其直接输出的扭矩感测信号具有误差。

图5示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的结构示意图。与图4所示的扭矩传感器相比，本实施例的扭矩传感器包括扭矩感测单元和弯矩感测单元。其中，扭矩感测单元感测转动轴104的扭矩变化，输出扭矩感测信号。弯矩感测单元感测转动轴104的弯矩形变，输出弯矩感测信号。

图6示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的电路结构示意图。如图6所示，扭矩感测单元包括第一惠斯通电桥结构，第一惠斯通电桥结构包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4。第一电阻r1、第四电阻r4、第二电阻r2和第三电阻r3串联连接形成闭合环路。第一电阻r1和第四电阻r4之间的节点与第二电阻r2和第三电阻r3之间的节点之间输入直流电压vs。第一电阻r1和第三电阻r3之间的节点与第二电阻r2和第四电阻r4之间的节点之间输出第一差分信号vout1，即扭矩感测信号。

在本实施例中，在无形变或者无应力时，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4的阻值相等。

第一电阻r1和第二电阻r2的电流方向与p型硅的[110]晶向方向平行，第三电阻r3和第四电阻r4的电流方向与第一电阻r1和第二电阻r2的电流方向垂直，即与p型硅的[110]晶向方向垂直。

弯矩感测单元包括第二惠斯通电桥结构，第二惠斯通电桥结构包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8。第五电阻r5、第八电阻r8、第六电阻r6以及第七电阻r7串联连接形成闭合环路。第五电阻r5和第七电阻r7之间的节点与第六电阻r6和第八电阻r8之间的节点之间输入直流电压vs，第六电阻r6和第七电阻r7之间的节点与第五电阻r5和第八电阻r8之间的节点之间输出第二差分信号vout2，即弯矩感测信号。

在本实施例中，在无形变或者无应力时，第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7以及第八电阻r8的阻值相等。

第五电阻r5和第六电阻r6的电流方向与p型硅的[110]晶向之间的夹角为23°～45°，第七电阻r7和第八电阻r8的电流方向与第五电阻r5和第六电阻r6的电流方向垂直，即与p型硅的[110]晶向之间的夹角为135°～157°。

在本实施例中，扭矩感测单元和弯矩感测单元共用同一个电源，接收直流电压vs。

在一个优选地实施例中，所述扭矩传感器202还包括温度感测单元，感测温度变化，输出温度感测信号。

其中，温度感测单元包括温敏二极管d1。所述温敏二极管d1与恒流源连接，恒流源产生电流id，所述温敏二极管两端的电压信号vout3为所述温度感测信号。

图7示出了根据本发明实施例的扭矩传感装置的结构示意图。如图7所示，扭矩传感装置200包括基板201以及设置在基板201上的扭矩传感器202和处理单元203。

扭矩传感器202位于所述基板201上，且扭矩传感器202与基板201在所述基板201的水平面上的夹角为45°。

扭矩传感器202包括扭矩感测单元和弯矩感测单元，扭矩感测单元包括第一惠斯通电桥结构，第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4；弯矩感测单元包括第二惠斯通电桥结构，第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8，以及构成温度感测单元的温敏二极管d1，图中箭头所指方向为感应外界力时转动轴104的扭转方向，例如顺时针脚蹬助力车脚踏板时使得转动轴104顺时针扭转。扭矩感测单元的第一电阻至第四电阻(r1-r4)的电流方向与扭矩方向的夹角为45°，弯矩感测单元的第七电阻r7和第八电阻r8的电流方向与扭转方向垂直，对应于弯矩方向，第五电阻r5和第六电阻r6与扭转方向平行。

处理单元203位于所述基板201上，与所述扭矩传感器202间隔设置并通过金丝键合连接。处理单元203与所述基板201在所述基板201的水平面上的夹角为45°。处理单元203对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行模数转换处理。

在本实施例中，处理单元203为ic芯片。

在一个优选地实施例中，处理单元203根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿得到补偿后的扭矩感测信号，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。

处理单元203与扭矩传感器202的距离越近越好，可以降低信号在传输线路上受到的干扰，提高精度。

图7所示的扭矩传感器202的安装可以视作图5所示的扭矩传感器202在基板201的水平面上逆时针旋转45°即可达到要求，处理单元203在基板201的水平面上也逆时针旋转45°，可以降低不必要的可能干扰。在扭矩力和弯矩力同时存在的情况下，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4对扭矩敏感度最高，在扭矩力作用下有两个电阻阻值增加，两个阻值减小，其构成的第一惠斯通电桥结构输出扭矩感测信号vout1，但同时在弯矩力作用下电阻阻值会同时减小或增加同样的数值，如此会改变第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4之间的阻值比例关系，影响扭矩感测信号vout1的值。第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8对弯矩敏感度最高，在弯矩力作用下两个电阻阻值增加，两个阻值减小，其构成的第二惠斯通电桥结构输出的弯矩感测信号vout2受扭矩影响小。第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电阻r4在无应力下的阻值相同，第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8无应力下的阻值相同，实际在无外力作用下会存在一些偏差，偏差值可由处理单元进行初始校准。

第五电阻r5和第六电阻r6的电流方向与[110]晶向成23°～45°角，典型值为32°，第七电阻r7和第八电阻r8的电流方向与第五电阻r5和第六电阻r6的电流方向垂直，与[110]晶向成135°～157°角，该设计方向上的弯矩最大，但相应的压敏系数也较小，折中考虑可以优选该设计。

温度是可影响电阻阻值的重要因素，在扭矩传感器202上设置温敏二极管d1，用于感测环境温度，温度升高时，温敏二极管d1的正向压降将减小，例如对某种温敏二极管施加10微安的恒定电流id，温度每升高1℃，正向压降减小2毫伏，监测该温敏二极管d1两端的电压即可得到相应的温度值。在其他实施例中，温度感测单元还可以采用温敏电阻实现，该温敏电阻与恒压源串联，检测流经该温敏电阻的电流值便可以获得相应的温度信息。

本发明实施例的原始扭矩感测信号和弯矩信号为电压信号，采用温敏二极管获得的原始温度感测信号也为电压信号，便于后期数据处理。

图8示出了根据本发明实施例的扭矩传感系统的结构示意图。如图8所示，扭矩传感系统包括扭矩传感装置200和微控制单元300，其中，扭矩传感装置200包括扭矩传感器202和处理单元203，扭矩传感器202包括扭矩感测单元2021和弯矩感测单元2022，扭矩感测单元2021感测转动轴的扭矩输出扭矩感测信号，弯矩感测单元2022感测转动轴的弯矩输出弯矩感测信号；处理单元203对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行模数转换处理，或者根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。

在本实施例中，处理单元203为ic芯片。

微控制单元300与处理单元203通过柔性电路板连接。

当处理单元203对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行模数转换处理时，微控制单元300根据模数转换处理后的弯矩感测信号对模数转换处理后的扭矩感测信号进行补偿，输出补偿后的扭矩感测值，消除弯矩对扭矩的影响得到精确的扭矩数据。

当处理单元203根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。微控制单元300接收模数转换处理后的扭矩感测信号，输出补偿后的扭矩感测值，消除弯矩对扭矩的影响得到精确的扭矩数据。

在一个优选地实施例中，扭矩传感器202还包括温度感测单元2023，该温度感测单元2023感测温度变化，输出温度感测信号。处理单元203根据温度感测信号对扭矩感测信号进行补偿，然后再对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。微控制单元300接收模数转换处理后的扭矩感测信号，输出补偿后的扭矩感测值，消除温度和弯矩对扭矩的影响得到精确的扭矩数据。

根据扭矩感测信号、温度感测信号和弯矩感测信号，校准包括绘制不同温度下不同扭矩的函数fa扭(p扭，t)，再绘制不同温度下不同弯矩的函数fa弯(p弯，t)，然后绘制不同温度下不同扭矩和弯矩的函数fa(p扭，p弯，t)，最后根据3个函数的关系进行相应的算法处理，消除温度和弯矩的影响，由于ic处理数据不够灵活，且成本较高，而mcu(microcontrollerunit，微控制单元)处理灵活，更有利于不同用户根据需求采用合适的处理方法，数字处理可以采用mcu(microcontrollerunit，微控制单元)来实现，其中处理单元与mcu的连接可以采用柔性电路板连接。其中，p扭＝k1vout1；p弯＝k2vout2，处理单元作为数模转换器将vout1、vout2和vout3转换为数字信号，mcu对转换为数字信号数据进行数字处理。由于本发明实施例的扭矩传感装置200的体积较小，数据量不多，采用mcu较为合适。处理单元和mcu构成数据处理单元，利用第二差分信号vout2和第三差分信号vout3对第一差分信号vout1进行补偿，输出补偿后的扭矩感测值。

图9a至图9h示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的制造方法各阶段的截面图，该截面图例如为沿图10中虚线a1-a2和a2-a3所示的截面图拼接而成；图10和图11示出了本发明实施例的扭矩传感器的制造过程中的俯视图，本申请中以扭矩感测单元和弯矩感测单元分别包括四个电阻为例进行说明，在其他实施例中，扭矩感测单元和弯矩感测单元的电阻数量还可以为8个或其他数量。

在该实施例中，温度感测单元的原理是根据二极管(p-n结)在恒定电流下正向降压随温度变化的特性进行测温的，可以直接采用二极管，也可以采用三极管(如：npn管)，在该实施例中采用集电极和基极短接作为正极，发射极作为负极的三极管作为温度感测单元。

参考图9a，在衬底301中形成多个埋层302以及多个下隔离掺杂区303a。

在该步骤中，在衬底301的表面进行离子注入，从而形成多个埋层(buried-layer，bn)302。其中，形成埋层302前在衬底301的表面通过光刻定义离子注入的窗口，且埋层302在离子注入后经过推结激活，推结激活例如采用高温退火工艺。在一个实施例中，埋层302位于温度感测单元下方，埋层302的主要作用是减小集电极串联电阻和降低寄生pnp晶体管放大效应。在一个实施例中，扭矩感测单元和弯矩感测单元的下方也形成有埋层302。

在该实施例中，还包括在衬底301中形成多个下隔离掺杂区303a。下隔离掺杂区303a通过离子注入形成，为p+型掺杂，注入的离子为硼(b)离子。

在该实施例中，衬底301例如为(100)晶面的p型硅衬底，埋层302例如为n+型埋层，注入的离子为磷离子。

进一步地，在半导体结构的表面形成外延层304，以及使下隔离掺杂区303a中的离子扩散进入外延层304，形成下隔离结构303b，如图9b所示。

在该实施例中，通过外延工艺在衬底301和埋层302上形成外延层304。实现外延生长的工艺包括分子束外延(mbe)、超高真空化学气相沉积(uhv/cvd)、常压及减压外延(atm&rpepi)等。形成外延层304后采用退火工艺，使下隔离掺杂区303a中的离子在外延层304和衬底301中发生扩散，形成位于衬底301和外延层304中的下隔离结构303b。

在该实施例中，外延层304例如为n-型外延层，材料例如为单晶硅。

进一步地，在外延层304中形成多个上隔离结构305，如图9c所示。

在该实施例中，在外延层304与下隔离结构303b对应的表面进行离子注入，从而形成上隔离结构305。其中，形成上隔离结构305前在外延层304的表面通过光刻定义离子注入的窗口。

在该实施例中，上隔离结构305可以采用与下隔离结构303b相同的光刻版，以保证上隔离结构305和下隔离结构303b可以相连接，从而实现对温度感测单元与弯矩感测单元和扭矩感测单元的隔离。隔离结构包括第一隔离结构(包括上隔离结构305和下隔离结构303b)和第二隔离结构(包括上隔离结构305和下隔离结构303b)，第二隔离结构将外延层304分隔成第一区域和第二区域，多个埋层302分别位于第一区域和第二区域中。第一隔离结构包围扭矩感测单元、弯矩感测单元以及温度感测单元，形状为方形的环状结构，第二隔离结构包围温度感测单元，形状为方型的环状结构，第二隔离结构的方型的环状结构未闭合，具有开口，后续形成的导电通道将经由第二隔离结构未闭合部分与温度感测单元连接。

上隔离结构305为p+型掺杂，注入的例如为硼离子。

在该实施例中，隔离结构与衬底301连接，使得温度感测单元与弯矩感测单元和扭矩感测单元在各自的孤岛上，相互隔离。

在该实施例中，第一隔离结构的上隔离结构305用于防止第一区域的外延层304与下隔离结构303b之间漏电。正常情况下，为保证扭矩感测单元和弯矩感测单元的电阻与外延层304之间不漏电，需要给第一区域的外延层304施加正向电压，从而外延层304与第一掺杂区306a和第二掺杂区306b之间形成反向pn结。

隔离结构和衬底301与扭矩传感器的地连接时，外延层304与衬底301也形成反向pn结，从而外延层304与下隔离结构303b不会形成通路。在没有上隔离结构305时，划片后的外延层304与衬底301的反向pn结在边缘区域具有缺陷，会导致漏电。

进一步地，在外延层304中形成多个第一掺杂区306a、多个第二掺杂区306b以及第三掺杂区306c，如图9d所示。

在该实施例中，例如通过在外延层304的表面形成氮化硅掩膜，然后对掩膜图案化，形成离子注入的窗口。通过图案化的掩膜在外延层304中进行离子注入从而形成多个第一掺杂区306a、多个第二掺杂区306b以及第三掺杂区306c，为p-型掺杂。

参考图10，隔离结构包括第一隔离结构和第二隔离结构，第一隔离结构围绕第一掺杂区306a，第二掺杂区306b和第三掺杂区306c，第二隔离结构围绕第三掺杂区306c，将外延层分隔成第一区域和第二区域，第一掺杂区306a和第二掺杂区306b位于第一区域的外延层304中，第三掺杂区306c位于第二区域的外延层304中。

在该实施例中，多个第一掺杂区306a用于形成扭矩感测单元的多个电阻，多个第二掺杂区306b用于形成弯矩感测单元的多个电阻，第一掺杂区306a和第二掺杂区306b位于第一区域的外延层304中，第三掺杂区306c用于形成温度感测单元的二极管，第三掺杂区306c位于第二区域的外延层304中。在形成第一掺杂区306a、第二掺杂区306b以及第三掺杂区306c时，注入的离子例如为硼、镓。在该实施例中，分别形成四个第一掺杂区306a和四个第二掺杂区306b，四个第一掺杂区306a和四个第二掺杂区306b之间间隔排列且围成一个八边形，第一掺杂区306a和第二掺杂区306b相互隔离，因此，在形成第一掺杂区306a和第二掺杂区306b时，离子注入的方向至少有四个，第三掺杂区306c的离子注入方向可以与四个离子注入的方向之一相同，也可以不同。

在该实施例中，参考图10，四个第一掺杂区306a后续将对应形成四个第一欧姆接触电阻，四个第二掺杂区306b后续将对应形成四个第二欧姆接触电阻，四个第一欧姆接触电阻和四个第二欧姆接触电阻围成一个八边形。其中，四个第一欧姆接触电阻中，第一第一欧姆接触电阻(第一电阻r1)和第二第一欧姆接触电阻(第二电阻r2)与p型硅的[110]晶向平行，第三第一欧姆接触电阻(第三电阻r3)和第四第一欧姆接触电阻(第四电阻r4)与p型硅的[110]晶向垂直。四个第二欧姆接触电阻中，第一第二欧姆接触电阻(第五电阻r5)和第二第二欧姆接触电阻(第六电阻r6)与p型硅的[110]晶向的夹角为23°～45°，第三第二欧姆接触电阻(第七电阻r7)和第四第二欧姆接触电阻(第八电阻r8)与p型硅的[110]晶向的夹角为135°～157°。

进一步地，在第一掺杂区306a中形成多个第一欧姆接触区307，在第二掺杂区306b中形成多个第二欧姆接触区318以及在第三掺杂区306c中形成第三欧姆接触区308，如图9e所示。

在该实施例中，通过离子注入在第一掺杂区306a的两端形成第一欧姆接触区307，在第二掺杂区306b的两端形成第二欧姆接触区318，以及在第三掺杂区306c中形成第三欧姆接触区308，第一欧姆接触区307，第二欧姆接触区318和第三欧姆接触区308均为p-型掺杂区。相比于第一掺杂区306a、第二掺杂区306b以及第三掺杂区306c，第一欧姆接触区307，第二欧姆接触区318和第三欧姆接触区308的离子掺杂浓度更高。

在该实施例中，第一欧姆接触区307和第一掺杂区306a形成用于构成扭矩感测单元的第一至第四第一欧姆接触电阻，对应图7中的电阻r1-r4，第二欧姆接触区318和第二掺杂区306b形成用于构成弯矩感测单元的第一至第四第二欧姆接触电阻，对应图7中的电阻r5-r8，第一欧姆接触区307用作第一欧姆接触电阻的电极区，第二欧姆接触区318用作第二欧姆接触电阻的电极区，电极区用于后续的电连接，从而形成扭矩感测单元和弯矩感测单元中的电阻。第三欧姆接触区308位于第三掺杂区306c，作为温度感测单元的基极，在该实施例中，采用基极和集电极短接的三极管作为温度感测单元，在其他实施例中也可以直接采用二极管。

进一步地，在外延层304中形成第四欧姆接触区309、第五欧姆接触区310以及在第三掺杂区306c中形成第六欧姆接触区311，如图9f和图10所示。

在该实施例中，采用离子注入工艺形成第四欧姆接触区309、第五欧姆接触区310以及第六欧姆接触区311，第四欧姆接触区309，第五欧姆接触区310和第六欧姆接触区311均为n+型掺杂区。

在该实施例中，第四欧姆接触区309位于第一区域的外延层304中，后续通过第四欧姆接触区309给第一区域的外延层304施加高电平，从而避免第一掺杂区306a和第二掺杂区306b与外延层304之间的正向漏电。

第五欧姆接触区310位于第二区域的外延层304中，作为温度感测单元的三极管的集电极，第六欧姆接触区311位于第三掺杂区306c中，作为温度感测单元的的三极管发射极。

进一步地，在半导体结构的表面形成绝缘层312，并在绝缘层312中形成多个通孔313，如图9g所示。

在该步骤中，采用物理气相沉积或化学气相沉积工艺在半导体结构的表面形成绝缘层312。绝缘层312的材料例如为硼磷硅玻璃(boro-phospho-silicateglass，bpsg)，即掺杂了硼和磷的二氧化硅，硼磷硅玻璃薄膜具有卓越的填孔能力，能够提高外延层304表面的平坦化。

在该实施例中，还包括在绝缘层312中形成多个通孔313，例如在绝缘层313的表面形成光致抗蚀剂掩膜，然后进行各向异性蚀刻。各向异性蚀刻例如采用干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀等。在形成通孔313时，例如采用外延层304作为蚀刻停止层，或者通过控制蚀刻时间，使得蚀刻在外延层304的表面停止。

在该实施例中，多个通孔313分别位于欧姆接触区(包括第一接触区307至第六欧姆接触区311)上方的绝缘层312中，通孔313的底部暴露相应的欧姆接触区，使得后续形成的导电通道能够接触扭矩感测单元(多个第一欧姆接触电阻)和弯矩感测单元(多个第二欧姆接触电阻)的相应的位置，实现电学连接。

进一步地，在多个通孔313中填充导电材料，形成多个导电通道314，如图9h所示。

在该实施例中，例如采用原子层沉积、物理气相沉积或化学气相沉积工艺，在多个通孔313中形成多个导电通道314。导电通道314的材料例如为金属导电材料。导电通道314还包括位于绝缘层312的表面，经过压点而形成的部分。

在该实施例中，由于三极管的集电极和基极短路，从而形成一个二极管，因此，第三欧姆接触区308和第五欧姆接触区310上方的导电通道314连接。

进一步地，还包括在绝缘层312上形成布线层，如图11所示。

在该实施例中，未示出包围第一掺杂区306a，第二掺杂区306b和第三掺杂区306c的第一隔离结构。参考图11，布线层包括连接扭矩感测单元中多个第一欧姆接触电阻的第一导线315以及连接弯矩感测单元中多个第二欧姆接触电阻的第二导线316，温度感测单元的三级管由第二导线316连接。

第一导线315通过多个第一欧姆接触电阻的导电通道将多个第一欧姆接触电阻依次串联连接，并通过第二导线316将扭矩感测单元的连接端子引出，用于外部连接；第二导线316通过多个第二欧姆接触电阻的导电通道将多个第二欧姆接触电阻依次串联连接，将扭矩感测单元的连接端子引出，用于外部连接。

在该实施例中，第一导线315与第二导线316例如位于不同层，之间由绝缘层隔开，扭矩感测单元和弯矩感测单元共用同一个电源，存在公共连接点，在公共连接点处，第一导线315和第二导线316的通过导电通道314连接。

在该实施例中，参考图6和图11，沿逆时针方向看，第一第一欧姆接触电阻(第一电阻r1)、第四第一欧姆接触电阻(第四电阻r4)、第二第一欧姆接触电阻(第二电阻r2)和第三第一欧姆接触电阻(第三电阻r3)后续通过相应的导电通道和导线依次串联形成闭合环路，第一第一欧姆接触电阻(第一电阻r1)和第三第一欧姆接触电阻(第三电阻r3)之间的节点与第二第一欧姆接触电阻(第二电阻r2)和第四第一欧姆接触电阻(第四电阻r4)之间的节点之间输出扭矩感测信号，第一第一欧姆接触电阻(第一电阻r1)和第四第一欧姆接触电阻(第四电阻r4)之间的节点与第二第一欧姆接触电阻(第二电阻r2)和第三第一欧姆接触电阻(第三电阻r3)之间的节点之间输入直流电压。

第三第二欧姆接触电阻(第七电阻r7)、第一第二欧姆接触电阻(第五电阻r5)、第四第二欧姆接触电阻(第八电阻r8)和第二第二欧姆接触电阻(第六电阻r6)后续通过相应的导电通道和导线依次串联形成闭合环路，第二第二欧姆接触电阻(第六电阻r6)和第三第二欧姆接触电阻(第七电阻r7)之间的节点与第一第二欧姆接触电阻(第五电阻r5)和第四第二欧姆接触电阻(第八电阻r8)之间的节点之间输出弯矩感测信号，第一第二欧姆接触电阻(第五电阻r5)和第三第二欧姆接触电阻(第七电阻r7)之间的节点与第二第二欧姆接触电阻(第六电阻r6)和第四第二欧姆接触电阻(第八电阻r8)之间的节点之间输入直流电压。

进一步地，还包括形成多个焊盘317，多个焊盘317与第二导线316连接，且位于第二导线316的末端，通过焊盘317向扭矩传感器施加电源信号以及获得输出信号。

在该实施例中，多个焊盘317包括vs焊盘，gnd焊盘，vout1+焊盘和vout1-焊盘，vout2+焊盘和vout2-焊盘以及vout3+焊盘，其中，通过vs焊盘和gnd焊盘向扭矩感测单元和弯矩感测单元施加直流电压，通过vout1+焊盘和vout1-焊盘获得扭矩感测单元输出的扭矩感测信号，通过vout2+焊盘和vout2-焊盘获得弯矩感测单元输出的弯矩感测信号，通过vout3+焊盘和gnd焊盘获得温度感测单元输出的温度感测信号。

在最终的半导体器件中，隔离结构与gnd焊盘连接，用于与地连接。

本发明的扭矩传感器包括对扭矩高敏感的扭矩感测单元和对弯矩高敏感的弯矩感测单元，可以同时提供扭矩感测信号和弯矩感测信号，可以根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，提供更加准确的扭矩感测值。

本发明的扭矩传感装置通过设置扭矩感测单元和弯矩感测单元，并对扭矩数据和弯矩数据进行处理，可以消除弯矩对扭矩的影响，确保扭矩传感装置输出准确扭矩数据。同时还包括温度感测单元，用于测量温度对扭矩感测单元的扭矩敏感器件的影响，以消除温度对扭矩传感器检测结果的影响，进一步地提高扭矩传感装置的扭矩数据的准确度。采用mcu可以在低成本下保障数据处理精度。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。