CN115790913B - 一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，包括具有离子掺杂的100晶向的硅晶圆，硅晶圆衬底设有切边为110晶向的硅晶圆定位边；硅晶圆上布设有硅谐振压力芯片单元，硅谐振压力芯片单元的表面设有谐振梁，谐振梁通过锚点固定在硅晶圆上，谐振梁外围的两侧分别设置有一个驱动电极，位于谐振梁的中间布置检测电极。本发明采用基于晶向‑掺杂效应的原位温度自补偿方法，通过在常规100晶向的晶圆上设置特定的谐振梁晶向方向，并利用掺杂工艺改变单晶硅材料的杨氏模量温漂系数，减小了对应晶向谐振梁的热灵敏度指标，形成一个对温度不敏感的谐振梁结构，解决了外界环境温度快速变化带来的动态误差降低的影响，产品工艺简单，良率高。
Description
技术领域
本发明属于半导体微机电系统的技术领域，具体涉及一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器。
背景技术
随着微机电技术的发展，MEMS（半导体微机电系统）硅谐振压力传感器因其高精度、高稳定性、可批量化制造、尺寸小、功耗低等特点在航空航天、工业控制、气象测量等领域具有越来越广泛的应用。硅谐振压力传感器通常由压力敏感膜片和谐振器组成，当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片会发生挠曲变形，引起膜片上谐振器刚度发生改变，最终导致谐振器的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化即可获得外界压力值的大小。
硅谐振压力传感器的主要应用领域为航空机载大气数据系统，用于测量飞行器在飞行过程中的高度、速度等飞行参数。当飞行器在快速拉升与下降的过程中，周遭环境温度发生剧烈变化，此时谐振压力传感器的动态测量精度会急剧降低，导致飞行参数测量产生误差，极大地影响飞行安全。传统的硅谐振压力传感器如法国Tales公司的P90系列产品（美国专利US2005/0118920A1“METHOD FOR THE PRODUCTIONOFA MICROSTRUCTURECOMPRISINGA VACUUM CAVITY AND A MICROSTRUCTURE”）采用在硅谐振芯片表面集成温度传感器，通过温度传感器实时采集温度，后续软件处理的方法进行精度补偿，然而这种方案无法保证温度传感器与硅谐振芯片对外界温度快速变化响应的一致性，往往导致动态精度补偿的效果不佳。专利号为CN201510599539.8的“谐振式压力传感器”则采用差分的双谐振梁结构，通过引入两个相互对称的谐振梁结构，保持两者热灵敏度的一致性，通过差分做减的方法消除环境温度带来的影响。但是该方案对工艺要求极高，必须保证两个谐振梁的结构完全一致性，否则反而容易造成测量精度下降的问题，进一步导致产品生产良率低下。除此之外，两个对称谐振梁结构需要两套闭环检测电路，也加大了接口电路的复杂程度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，以解决现有外界环境温度快速变化带来的硅谐振压力传感器的动态误差的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，其包括具有离子掺杂的100晶向的硅晶圆，硅晶圆衬底设有切边为110晶向的硅晶圆定位边；硅晶圆上布设有硅谐振压力芯片单元，硅谐振压力芯片单元的表面设有谐振梁，谐振梁通过锚点固定在硅晶圆上，谐振梁外围的两侧分别设置有一个驱动电极，位于谐振梁的中间布置检测电极。
进一步地，硅晶圆为具有n型离子掺杂的100晶向的第一硅晶圆，第一硅晶圆中掺杂有P离子，P离子的掺杂浓度大于8e19/cm3。
进一步地，硅谐振压力芯片单元的布置方向与100晶向的方向平行，硅谐振压力芯片单元的布置方向为沿所述硅晶圆定位边逆时针旋转45°。
进一步地，谐振梁为具有100晶向的第一谐振梁，第一谐振梁的径向方向为沿硅晶圆定位边逆时针旋转45°。
进一步地，硅晶圆为具有P型离子掺杂的100晶向的第二硅晶圆，第二硅晶圆中掺杂有B离子，B离子的掺杂浓度大于5e20/cm3。
进一步地，谐振梁为具有110晶向的第二谐振梁，第二谐振梁的径向方向为沿硅晶圆定位边逆时针旋转90°。
进一步地，谐振梁的灵敏度标度因子SF为：
其中，m a 为锚点等效质量，P为传递载荷的比例因子，E为硅材料的杨氏模量，h为谐振梁的厚度，w为谐振梁的宽度，m为谐振梁的等效质量；
根据灵敏度标度因子SF计算灵敏度标度因子温漂系数TCS：
其中，
为硅材料的热膨胀系数，TCS 1和TCS 2分别为灵敏度标度因子温漂系数的一阶常数和二阶常数，SF 0为常温状态时的标度因子；T为外界实际环境温度，E 0为常温时硅材料的杨氏模量，T 0为常温环境温度。
本发明提供的具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，具有以下有益效果：
本发明解决了外界环境温度快速变化带来的动态误差降低的影响，产品工艺简单，良率高；本发明具体利用半导体加工中的P型或N型掺杂工艺，对常规100晶向的硅晶圆材料做掺杂工艺处理形成简并半导体，并利用简并半导体的载流子再分布效应降低了硅材料的弹性势能，从而影响杨氏模量的温漂系数，并针对不同晶向对应的杨氏模量温漂系数不同的特性，制作特定晶向的谐振梁以获取具有最小的杨氏模量温漂系数的谐振梁结构，实现高动态测量精度的硅谐振压力传感器。
附图说明
图1为本发明n型掺杂的硅谐振压力芯片单元的谐振梁的晶向选择。
图2为本发明P型掺杂的硅谐振压力芯片单元的谐振梁的晶向选择。
其中，1、第一硅晶圆；2、硅晶圆定位边；3、硅谐振压力芯片单元；4、第一谐振梁；5、锚点；6、检测电极；7、驱动电极；8、第二谐振梁；9、第二硅晶圆。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
参考图1，本实施例提供一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，本实施例采用基于晶向-掺杂效应的原位温度自补偿方法，通过在常规100晶向的硅晶圆上设置特定的谐振梁晶向方向，并利用P离子掺杂工艺改变单晶硅材料的杨氏模量温漂系数，减小了对应晶向谐振梁的热灵敏度指标，形成一个对温度不敏感的谐振梁结构，其具体包括：
具有离子掺杂的100晶向的硅晶圆，硅晶圆衬底设有切边为110晶向的硅晶圆定位边2。
具体为，采用标准100规格的硅片作为加工衬底，其晶圆衬底的加工切边为110晶向，即为本实施例的硅晶圆定位边2，对该硅晶圆表面进行P离子掺杂工艺即形成具有n型离子掺杂的晶面的第一硅晶圆1，其中，P离子的掺杂浓度大于8e19/cm3。
本实施例以n型硅晶圆的硅晶圆定位边2为初始角度0°，该硅晶圆定位边2对应的晶向为110方向，逆时针旋转45°，该晶向方向为100方向。
第一硅晶圆1上根据光刻layout版图布置硅谐振压力芯片单元3，硅谐振压力芯片单元3的布置方向与100晶向的方向平行，硅谐振压力芯片单元3的布置方向为沿硅晶圆定位边2逆时针旋转45°。
硅谐振压力芯片单元3的表面设有谐振梁，作为本实施例的优选，谐振梁为具有100晶向的第一谐振梁4，第一谐振梁4的径向方向为沿硅晶圆定位边2逆时针旋转45°。
第一谐振梁4通过锚点5固定在硅晶圆上，第一谐振梁4外围的两侧分别设置有一个驱动电极7，位于第一谐振梁4的中间布置检测电极6，形成双端驱动，差分输出，将输出信号的灵敏度放大了一倍。
本实施例的工作原理为：
在受到外界载荷压力的作用下，锚点5沿径向方向挤压第一谐振梁4，造成第一谐振梁4刚度发生变化，第一谐振梁4的谐振频率也由此而改变，通过驱动电极7对第一谐振梁4做谐振反相的激励驱动运动，使得第一谐振梁4以当前谐振频率做来回往复运动，通过检测电极6将第一谐振梁4的谐振频率以电信号的形式输出，通过检测谐振频率即可得到外界的载荷压力。
实施例2
参考图2，本实施例与实施例1的不同在于离子掺杂工艺不同，以及谐振梁的径向方向不同，具体的，本实施例选择B离子作为P型掺杂离子注入至硅晶圆中，得到具有P型离子掺杂的100晶向的第二硅晶圆9，第二硅晶圆9中掺杂有B离子，B离子的掺杂浓度大于5e20/cm3。
本实施例的谐振梁为具有110晶向的第二谐振梁8，第二谐振梁8的径向方向为沿硅晶圆定位边2逆时针旋转90°。
本实施例的工作原理与实施例1的工作原理相同，故不再赘述其过程。
实施例3
本实施例用于计算实施例1和实施例2中的谐振梁的灵敏度标度因子温漂系数，本实施例所指的谐振梁包括第一谐振梁和第二谐振梁，其具体包括：
谐振梁的灵敏度标度因子SF为：
其中，m a 为锚点5的等效质量，P为传递载荷的比例因子，E为硅材料的杨氏模量，h为谐振梁的厚度，w为谐振梁的宽度，m为谐振梁的等效质量；
根据灵敏度标度因子SF计算灵敏度标度因子温漂系数TCS：
其中，
为硅材料的热膨胀系数，TCS 1和TCS 2分别为灵敏度标度因子温漂系数的一阶常数和二阶常数，SF 0为常温状态时的标度因子；T为外界实际环境温度，E 0为常温时硅材料的杨氏模量，T 0为常温环境温度。
本实施例为提高硅谐振压力传感器的动态测量精度，即需要降低灵敏度标度因子温漂系数TCS，当通过掺杂并选取特定的晶向构建谐振梁结构时，一阶常数TCS 1和二阶常数TCS 2变小，则TCS会发生变化，最终体现为杨氏模量的温漂系数降低，达到提高硅谐振压力传感器动态测量精度的目的。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，其特征在于：包括具有离子掺杂的100晶向的硅晶圆，所述硅晶圆设有切边为110晶向的硅晶圆定位边；所述硅晶圆上布设有硅谐振压力芯片单元，所述硅谐振压力芯片单元的表面设有两个谐振梁，两个所述谐振梁通过锚点固定在所述硅晶圆上，两个所述谐振梁外围的两侧分别设置有一个驱动电极，位于两个谐振梁的中间布置检测电极；
所述硅晶圆为具有n型离子掺杂的100晶向的第一硅晶圆，所述第一硅晶圆中掺杂有P离子，P离子的掺杂浓度大于8e19/cm3；
所述硅谐振压力芯片单元的布置方向与100晶向的方向平行，所述硅谐振压力芯片单元的布置方向为沿所述硅晶圆定位边逆时针旋转45°；
所述谐振梁为具有100晶向的第一谐振梁，所述第一谐振梁的径向方向为沿所述硅晶圆定位边逆时针旋转45°；
所述谐振梁的灵敏度标度因子SF为：
其中，m a为锚点等效质量，P为传递载荷的比例因子，E为硅材料的杨氏模量，h为谐振梁的厚度，w为谐振梁的宽度，m为谐振梁的等效质量；
根据灵敏度标度因子SF计算灵敏度标度因子温漂系数TCS：
其中，
为硅材料的热膨胀系数，TCS 1和TCS 2分别为灵敏度标度因子温漂系数的一阶常数和二阶常数，SF 0为常温状态时的标度因子；T为外界实际环境温度，E 0为常温时硅材料的杨氏模量，T 0为常温环境温度。/>
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