CN114608730B - 一种硅圆膜压阻传感器、及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅圆膜压阻传感器及其实现方法。该方法包括在晶向<100>的N型硅圆膜上通过扩散工艺设置结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；电阻R1和R2阻值相等、两端硅晶向<110>分别设置在硅圆膜上的各自指定位置，电阻R3和R4阻值相等、两端沿硅晶向设置在硅圆膜上、满足电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等的位置。本发明提供的方法能够改善惠斯通平衡电桥形式的压阻传感器压阻变化的线性度。

Description

一种硅圆膜压阻传感器、及其实现方法

技术领域

本发明提供的技术方案涉及半导体传感器的制造领域，具体涉及一种在硅圆膜上实现惠斯通平衡电桥形式的压阻传感器的方法。

背景技术

硅晶体有良好的弹性形变性能，受到力的作用后，电阻率将发生显著的变化，具有显著的压阻效应。应用现代微电子技术，利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产及使用方便等特点，可用于测量力，压力、加速度、载荷和扭矩等参量。

压阻传感器的性能与结构和制造工艺有着密切的关系,其基本结构的确定应同时考虑性能和工艺可行性这两个因素。常规的压阻传感器如图1、2所示，主要利用硅压阻效应通过半导体平面工艺,在硅膜片上以一定的晶向、通过硼扩散布局四个电阻R1-R4并连成惠斯通平衡电桥来实现。当硅膜片受压力时、晶格内部将产生畸变引起晶体固有电阻率变化，由于压阻效应和晶向位置的关系,四个电阻中R1、R3减小，R2、R4增大。通过惠斯通电桥的测量点位a、b的电位差反应出硅膜片受到压力的大小。

然而、由材料的压阻效应可知、对于金属/半导体圆膜来说,若沿它的某一晶面加以压力或拉力时,其晶格内部将产生畸变,这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化,进一步导致载流子相对能量的改变,从而引起晶体固有电阻率变化的物理现象。对硅片来说、电阻变化率公式可以简化成：

其中、π_l为硅膜片的径向压阻系数，σ_l为电阻纵向承受的应力，π_t为硅膜片的切向压阻系数，σ_t为电阻横向承受的应力。由于压力使圆膜片变位远远小于膜片厚度,因此、它的实际变形符合固边固支园膜片应力分布理论。此时、对于硅圆膜、其径向应力系数随径向距离的变化、切向应力系数随切向距离的变化都是非线性的。压阻传感器中固定在硅圆膜上的电阻，其电阻值随压力大小的变化是非线性的，导致现有的压阻传感器不能应用到某些要求压阻传感器具有精度高、线性度好的应用场景。

发明内容

为了提高压阻传感器的电阻值随压力大小的变化的线性度，本发明提供一种硅圆膜压阻传感器的实现方法。通过该方法制作的压阻传感器的电阻值随压力变化具有较好的线性度。

本发明第一方面提供的一种硅圆膜压阻传感器的实现方法。该方法包括：在晶向<100>的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；电阻R1和R2阻值相等、两端沿硅圆膜的纵向(即硅晶向<110>)分别设置在硅圆膜上各自的指定位置，电阻R3、R4阻值相等、两端沿硅圆膜的横向(即硅晶向)分别设置在硅圆膜上各自的应变平衡位置；当电阻R3、R4分别设置于各自应变平衡位置时，电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等。由于R1、R2、R3、R4各自沿特定的硅晶向设置，电阻R1、R2的电阻变化只由硅晶向<110>方向受到的应力决定，电阻R3、R4的电阻变化只由硅晶向<11_0>方向受到的应力决定。

进一步地、所述应变平衡位置对基于约束条件电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等，已知的电阻R1、R2各自的所述指定位置，硅压阻效应物理模型以及硅圆膜应力分布函数构建方程求解得到。

进一步地、所述电阻R1、R2、R3、R4为硼扩散形成的结的横截面的形状、尺寸相同的方块电阻；其中、电阻R1、R2的长度L相同、电阻R3、R4的长度l相同。由于结的横截面积非常小、在结的横截面的形状、尺寸相同这一条件下，电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等这一约束条件就可以近似为：电阻R3、R4几何中心点所受到的横向应力与电阻R1、R2的几何中心所受到的纵向应力相等。相应地、所述方程以硅圆膜圆心为坐标原点进行构建、其具体形式为：

其中、r_2l为设置电阻R2的指定位置、r_1l为设置电阻R1的指定位置，r_2t为设置电阻R4的应变平衡位置，r_1t为设置电阻R3的应变平衡位置，π_t44为硅晶向应力系数与硅晶向<110>的应力系数之比。在将电阻R1的几何中心设置在r_1l处、将电阻R2的几何中心设置在r_2l处后，将r_1l、r_2l的点位值以及对r_2t赋予的点位值代入上述方程求出r_1t对应的点位值。将电阻R1的几何中心设置在r_1l的点位值处、将电阻R2的几何中心设置在r_2l的点位值处、将电阻R3的几何中心设置在r_1t的点位值处、将电阻R4的几何中心设置在r_2t的点位值处。

本发明的第二方面提供一种硅圆膜压阻传感器，其特征在于，该硅圆膜压阻传感器，包括：在晶向<100>的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置的结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；所述电阻R1、R2、R3、R4为结横截面的形状、尺寸相同的方块电阻，电阻R1、R2的长度L相同、电阻R3、R4的长度l相同；电阻R1、R2阻值相等、两端沿硅晶向<110>分别设置在所述硅圆膜上的指定位置r_1l、r_2l，电阻R3、R4阻值相等、两端沿硅晶向分别设置在所述硅圆膜的r_1t、r_2t处；r_1l、r_2l、r_1t、r_2t的关系满足方程：

或/>

其中、π_t44为硅晶向应力系数与硅晶向<110>的应力系数之比。

本发明提供的上述方法通过将惠斯通平衡电桥式压阻传感器的四个电阻通过设置在硅圆膜特定晶向的特定位置来提高压阻传感器的电阻值随压力变化的线性度。尤其是通过设置惠斯通平衡电桥的各电阻结深、结的横截面的形状、尺寸相同这一条件下，避免了复杂的积分方程求解，大大简化了相应电阻布局点位的求解运算。

附图说明

图1为现有的硅压阻传感器结构的受力示意图；

图2为惠斯通平衡电桥形式的压阻式传感器的电路原理图；

图3为本发明提供的硅圆膜压阻传感器的实现示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示、本发明提供的硅圆膜压阻传感器的实现为：在晶向<100>的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂。电阻R1和R2阻值相等、两端沿硅圆膜的纵向(即硅晶向<110>)分别设置在硅圆膜上各自的指定位置，电阻R3和R4阻值相等、两端沿硅圆膜的横向(即硅晶向)分别设置在所述硅圆膜上各自的应变平衡位置。所述应变平衡位置通过对基于约束条件电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等，已知电阻R1、R2各自的所述指定位置，硅压阻效应物理模型以及硅圆膜应力分布函数构建方程求解得到。当电阻R3、R4分别设置于各自的应变平衡位置时，电阻R3、R4分别受到的横向应力与电阻R1、R2分别受到的纵向应力相等。

由硅圆膜上电阻的压阻效应公式：

可知、虽然对于硅圆膜、其径向应力系数随径向距离的变化、切向应力系数随切向距离的变化都是非线性的。若将惠斯通平衡电桥的四个电阻两两对应沿着硅圆膜的特定晶向设置，则该电阻的变化只取决于各自对应的所述特定晶向上所受到的应力大小。只要使沿着硅圆膜纵向设置的电阻承受的纵向应力σ_l等于沿着硅膜横向设置的电阻承受的横向应力σ_t，则可以使得整个电桥电阻随压力的变化为线性。

如图3所示，选用N型硅晶片作为硅杯膜片，在其上扩散P型杂质，形成电阻条。P型电阻条的压阻系数较N型为大，灵敏度高，而温度系数比N型的小，也易于制造。对于晶向〈100〉的硅膜片,晶向<110>和上的压阻系数最大、对称性也好，所以利用扩硼的方法扩散出两个P型电阻R1、R2沿晶向/>布置，另两个P型电阻R3、R4沿晶向〈110〉布置。所述电阻R1、R2、R3、R4为硼扩散形成的结深相同，结的横截面的形状、尺寸相同的方块电阻。其中、电阻R1、R2的长度L相同、电阻R3、R4的长度l相同。

由于结的横截面积非常小、在结的横截面的形状、尺寸相同这一条件下，由于电阻R1-R4本身的长度L非常小(一般仅零点零几厘米)，电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等这一约束条件就可以近似为：电阻R3、R4几何中心点所受到的横向应力与电阻R1、R2的几何中心所受到的纵向应力相等。

由于压力使膜片变位远远小于膜片厚度,当硅圆膜片承受均布压力时它的实际变形符合固边固支园膜片应力分布理论,其径应力分布曲线函数为：

其中、g为硅圆膜上施加的压力、h为膜片厚度、a为膜片有效半径、μ为泊松系数、r为计算点相对于圆心的径向距离。

当晶向〈110〉应力σ_l和晶向的应力σ_t相等时，对于等效点(平均应力点)必然有/>其中、/>进而方程/>演化为：

其中、r_2l为设置电阻R2的指定位置、r_1l为设置电阻R1的指定位置，r_2t为设置电阻R4的应变平衡位置，r_1t为设置电阻R3的应变平衡位置，π_t44为硅晶向应力系数与硅晶向<110>的应力系数之比。在设定r_1l、r_2l、r_2t的情况下，可以通过上述方程求出r_1t。将电阻R1的几何中心设置在r_1l的点位值处、电阻R2的几何中心设置在r_2l的点位值处、电阻R3的几何中心设置在的点位值处、电阻R4的几何中心设置在r_2t的点位值处，就可以降低惠斯通平衡电桥式压阻传感器的非线性压阻效应。

在一个实施例中、由于π_t44非常接近于1、忽略π_t44后将上述方程(3)简化为：

将设定r_1l、r_2l、r_2t的值代入上述方程(4)进行求解获得的r_1t的值仍具有较高的精准度。将纵向电阻R2的位置r_2l＝1940μm R1的位置r_1l＝1640μm代入上述方程(4)得到：

分别令r_2t＝1800，r_2t＝1700，r_2t＝1650时对应解得r_1t的位置如下表所示、分别为：1416.59μm 1516.59μm 1566.59μm。

其中、方形电阻R1、R2纵向长度L、方形电阻R2、R3的横向长度l根据实际中电桥在没有受到压力时的平横状态经由实际生产过程中的实验结果设置，跟蚀刻电阻的材料特性相关。

本发明还提供一种硅圆膜压阻传感器。该硅圆膜压阻传感器，包括：在晶向<100>的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置的结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；所述电阻R1、R2、R3、R4的结横截面的形状、尺寸相同的方块电阻，电阻R1、R2的长度L相同、电阻R3、R4的长度l相同；

电阻R1、R2阻值相等、两端沿硅晶向<110>分别设置在硅圆膜上各自的指定位置r_1l、r_2l，电阻R3、R4阻值相等、两端沿硅晶向分别设置在硅圆膜的r_1t、r_2t处；r_1l、r_2l、r_1t、r_2t的关系满足方程：

或/>

其中、π_t44为硅晶向应力系数与硅晶向<110>的应力系数之比。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种硅圆膜压阻传感器的实现方法，其特征在于，该方法包括：在晶向<100>的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；电阻R1和R2阻值相等、两端硅晶向<110>分别设置在所述硅圆膜上各自的指定位置，电阻R3和R4阻值相等、两端沿硅晶向<11^_0>分别设置在所述硅圆膜上各自的应变平衡位置；当电阻R3、R4分别设置于各自的应变平衡位置时，电阻R3、R4分别受到的、沿着硅晶向<11^_0>的应力与电阻R1、R2分别受到的、沿着硅晶向<110>的应力相等；

所述应变平衡位置对基于约束条件电阻R3、R4所受到的沿着硅晶向<11^_0>的应力与电阻R1、R2所受到的沿着硅晶向<110>的应力相等，已知的电阻R1、R2对应的所述指定位置，硅压阻效应物理模型以及硅圆膜应力分布函数，以硅圆膜圆心为坐标原点构建的以下方程求解得到:

或/>

其中、r_2l为设置电阻R2的指定位置、r_1l为设置电阻R1的指定位置，r_2t为设置电阻R4的应变平衡位置，r_1t为设置电阻R3的应变平衡位置，π_t44为硅晶向应力系数与硅晶向<110>的应力系数之比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻R1、R2、R3、R4为硼扩散结的横截面的形状、尺寸相同的方块电阻；其中、电阻R1、R2的长度L相同、电阻R3、R4的长度l相同。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将电阻R1的几何中心设置在r_1l处、将电阻R2的几何中心设置在r_2l处、将电阻R3的几何中心设置在r_1t处、将电阻R4的几何中心设置在r_2t处。

4.一种硅圆膜压阻传感器，其特征在于，该硅圆膜压阻传感器在晶向<100>的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置的结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；

所述电阻R1、R2、R3、R4为结横截面的形状、尺寸相同的方块电阻，电阻R1、R2的长度L相同、电阻R3、R4的长度l相同；电阻R1、R2阻值相等、两端沿硅晶向<110>分别设置在硅圆膜上的指定位置r_1l、r_2l，电阻R3、R4阻值相等、两端沿硅晶向分别设置在硅圆膜的r_1t、r_2t处；r_1l、r_2l、r_1t、r_2t的关系满足方程：

或/>

其中、π_t44为硅晶向应力系数与硅晶向<110>的应力系数之比。