CN116499616A - 一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器及校准方法，涉及半导体微机电系统领域。本发明在圆形碳化硅压力敏感膜片表面设置一层氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜表面设置铂温度电阻，由于氮化硅与碳化硅的热膨胀系数不一致，通过给铂温度电阻外接电压使芯片表面发热，会引起圆形碳化硅压力敏感膜片发生挠曲变形，进而引起压敏电阻的变化，通过这种方式模拟压力控制器的校准功能，实现了碳化硅传感器在整机系统内部在线校准的功能，避免了整机系统因更换传感器或则拆卸重校准带来的成本、时间等不利因素的影响。
Description
技术领域
本发明涉及半导体微机电系统领域，具体涉及一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器及校准方法。
背景技术
随着半导体微机电系统（MEMS）技术的发展，碳化硅高温压力传感器因其材料强度高、禁带宽度大、抗酸碱腐蚀、可批量化制造以及与现有MEMS工艺兼容等特点被广泛应用在高温、强振动和高盐雾的恶劣环境中。碳化硅压力传感器通常由压力敏感膜片和压敏电阻组成，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，引起压敏电阻阻值改变，由压敏电阻形成的惠斯通电桥输出会发生变化，通过检测惠斯通电桥的电压输出即可获得外界压力值的大小。
然而，碳化硅压力传感器由于工作在高温环境下，反复的热循环影响容易导致碳化硅传感器的欧姆接触电阻发生变化，同时传感器的封装应力也会因温度循环的发生而改变，最终引起时漂现象，其测量精度会随使用工作时间增长而降低，此时为使碳化硅压力传感器满足高精度的测量需求，通常采用更换新的碳化硅压力传感器或则将传感器从安装部件或整机系统中取出，并外接高精度压力控制器进行重新校准恢复精度再安装的方式，但这种方法需要将传感器的整机系统停机，且异常繁琐，特别是针对带有成百上千个压力传感器阵列的复杂系统而言，其工作量极为巨大，不仅耗时长，成本高而且频繁地更换极易造成压力传感器安装部件的损坏，严重降低了工作效率。
现有申请号为201310084858.6的中国专利《一种高温CMUT压力传感器及其制备方法》，其为了减少高温环境中温度应力，寄生电容以及电绝缘层充电现象对传感器工作性能的影响（避免出现时漂现象），用碳化硅和氮化硅的交替结构，形成了碳化硅/氮化硅/碳化硅/氮化硅/碳化硅这样的五层复合结构，其对应的技术思路为：由于碳化硅和氮化硅的热膨胀系数不一致，在高温工作情况下，碳化硅和氮化硅材料之间会引起很大的热应力，通过5层材料复合叠加，前一层碳化硅材料引起的拉应力会被后一层氮化硅材料的压应力抵消，减小了高温时热应力的影响，进而减小热膨胀系数差异带来的影响。由于该方案是通过消除热应力的影响来避免出现时漂现象，因此其并不具备通过热应力进行校准的硬件基础和技术启示。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器及校准方法解决了现有碳化硅压力传感器进行校准需要从安装部件或整机系统中取出，无法在线校准，严重降低了工作效率的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其包括碳化硅衬底；碳化硅衬底的中间位置处设置有圆形碳化硅压力敏感膜片；碳化硅衬底的上表面设置有P型碳化硅；P型碳化硅的上表面设置有两对N型碳化硅压敏电阻；两对N型碳化硅压敏电阻分别布置在圆形碳化硅压力敏感膜片的切向边缘与径向边缘，N型碳化硅压敏电阻与P型碳化硅形成PN结；N型碳化硅压敏电阻和P型碳化硅的表面均覆盖有氮化硅薄膜；
氮化硅薄膜上按顺时针依次设置有第一供电电极、负输出电极、第一接地电极和正输出电极；
N型碳化硅压敏电阻上的氮化硅薄膜设置有缺口，每个N型碳化硅压敏电阻通过缺口与一根铂金属走线的中间部位相连，第一根铂金属走线的两端分别连接第一供电电极与负输出电极；第二根铂金属走线的两端分别连接负输出电极和第一接地电极；第三根铂金属走线的两端分别连接第一接地电极和正输出电极；第四根铂金属走线的两端分别连接第一供电电极和正输出电极；
氮化硅薄膜上且圆形碳化硅压力敏感膜片的正上方设置有铂温度电阻，铂温度电阻的两端分别连接第二供电电极和第二接地电极。
进一步地，圆形碳化硅压力敏感膜片通过六氟化硫和氧气的混合等离子体气体在碳化硅衬底的底部干法刻蚀形成。
进一步地，P型碳化硅通过在碳化硅衬底的上表面外延掺杂乙硼烷形成。
进一步地，N型碳化硅压敏电阻通过在P型碳化硅上外延掺杂磷化氢形成。
进一步地，铂金属走线和铂温度电阻通过lift-off工艺在P型碳化硅的上表面沉积金属铂形成。
进一步地，当碳化硅压力传感器正常工作时，第一供电电极接第一外部电源，第一接地电极接零位电极，两对N型碳化硅压敏电阻形成惠斯通电桥，通过测量正输出电极和负输出电极之间的电压得到外界载荷。
进一步地，铂温度电阻的两端为矩形，中间部分为空心王字形，铂温度电阻绕圆形碳化硅压力敏感膜片的圆心对称；第二供电电极和第二接地电极设置在圆形碳化硅压力敏感膜片的外部。
提供一种基于一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器的校准方法，其包括以下步骤：
S1、获取铂温度电阻在不同电压下的挠曲变形程度，即得到不同电压下铂温度电阻向圆形碳化硅压力敏感膜片施加的载荷；
S2、将第二供电电极接第二外部电源，将第二接地电极接零位电极，获取当前第二外部电源电压值下正输出电极和负输出电极之间的电压；
S3、根据铂温度电阻向圆形碳化硅压力敏感膜片施加的载荷与正输出电极和负输出电极之间的电压值，对碳化硅压力传感器进行校准。
本发明的有益效果为：本发明在圆形碳化硅压力敏感膜片表面设置一层氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜表面设置铂温度电阻，由于氮化硅与碳化硅的热膨胀系数不一致，通过给铂温度电阻外接电压使芯片表面发热，会引起圆形碳化硅压力敏感膜片发生挠曲变形，进而引起压敏电阻的变化，通过这种方式模拟压力控制器的校准功能，实现了碳化硅传感器在整机系统内部在线校准的功能，避免了整机系统因更换传感器或则拆卸重校准带来的成本、时间等不利因素的影响。
附图说明
图1为本碳化硅压力传感器的剖视图；
图2为本碳化硅压力传感器的俯视图。
其中：1、碳化硅衬底；2、P型碳化硅；3、圆形碳化硅压力敏感膜片；4、氮化硅薄膜；5、N型碳化硅压敏电阻；6、铂金属走线；7、铂温度电阻；8、第一供电电极；9、第一接地电极；10、第二供电电极；11、第二接地电极；12、正输出电极；13、负输出电极。
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。
如图1和图2所示，该具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器包括碳化硅衬底1；碳化硅衬底1的中间位置处设置有圆形碳化硅压力敏感膜片3；碳化硅衬底1的上表面设置有P型碳化硅2；P型碳化硅2的上表面设置有两对N型碳化硅压敏电阻5；两对N型碳化硅压敏电阻5分别布置在圆形碳化硅压力敏感膜片3的切向边缘与径向边缘，N型碳化硅压敏电阻5与P型碳化硅2形成PN结，阻止高温漏电现象的产生；N型碳化硅压敏电阻5和P型碳化硅2的表面均覆盖有氮化硅薄膜4；
氮化硅薄膜4上按顺时针依次设置有第一供电电极8、负输出电极13、第一接地电极9和正输出电极12；
N型碳化硅压敏电阻5上的氮化硅薄膜4设置有缺口，每个N型碳化硅压敏电阻5通过缺口与一根铂金属走线6的中间部位相连，第一根铂金属走线6的两端分别连接第一供电电极8与负输出电极13；第二根铂金属走线6的两端分别连接负输出电极13和第一接地电极9；第三根铂金属走线6的两端分别连接第一接地电极9和正输出电极12；第四根铂金属走线6的两端分别连接第一供电电极8和正输出电极12；
氮化硅薄膜4上且圆形碳化硅压力敏感膜片3的正上方设置有铂温度电阻7，铂温度电阻7的两端分别连接第二供电电极10和第二接地电极11。
圆形碳化硅压力敏感膜片3通过六氟化硫和氧气的混合等离子体气体在碳化硅衬底1的底部干法刻蚀形成。P型碳化硅2通过在碳化硅衬底1的上表面外延掺杂乙硼烷形成。N型碳化硅压敏电阻5通过在P型碳化硅2上外延掺杂磷化氢形成。铂金属走线6和铂温度电阻7通过lift-off工艺在P型碳化硅2的上表面沉积金属铂形成。
当碳化硅压力传感器正常工作时，第一供电电极8接第一外部电源（通常为+5V或+10V），第一接地电极9接零位电极，两对N型碳化硅压敏电阻5形成惠斯通电桥，通过测量正输出电极12和负输出电极13之间的电压得到外界载荷。
为了提高铂温度电阻7的电阻值，使其在通电时产生更多热量，铂温度电阻7的两端为矩形，中间部分为空心王字形，铂温度电阻7绕圆形碳化硅压力敏感膜片3的圆心对称；第二供电电极10和第二接地电极11设置在圆形碳化硅压力敏感膜片3的外部。
该具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器的校准方法包括以下步骤：
S1、获取铂温度电阻7在不同电压下的挠曲变形程度，即得到不同电压下铂温度电阻7向圆形碳化硅压力敏感膜片3施加的载荷；
S2、将第二供电电极10接第二外部电源，将第二接地电极11接零位电极，获取当前第二外部电源电压值下正输出电极12和负输出电极13之间的电压；
S3、根据铂温度电阻7向圆形碳化硅压力敏感膜片3施加的载荷与正输出电极12和负输出电极13之间的电压值，对碳化硅压力传感器进行校准。
在具体实施过程中，当碳化硅压力传感器因为加工热应力、封装应力等因素的影响导致传感器出现时漂现象时，需要对公式中的/>值进行新校准，其中P表示压力。传统的校准方法是通过外接标准的压力控制器，在碳化硅压力传感器的量程范围内，让压力控制器输出对应P1、P2……Pm对应m个标准压力，将这m个标准压力再作用到碳化硅压力传感器的圆形碳化硅压力敏感膜片3上，由此可以获得m个惠斯通电桥的输出电压V1，V2，…，Vi，…，Vm。并通过求解：
得到校准后的值，该方式需要将碳化硅压力传感器从器件上拆下进行校准，其中/>为压力，/>、/>和/>均为惠斯通电桥的输出电压。本发明则是通过在铂温度电阻7上外接直流电压形成圆形碳化硅压力敏感膜片3的挠曲变形，不同直流电压的大小对应了不同的挠曲变形程度大小，由此可通过压力敏感膜片的挠曲变形模拟压力控制器的标准压力输出来达到在线校准的功能。
综上所述，本发明可以在不拆装碳化硅压力传感器的基础上实现对碳化硅压力传感器的校准，避免了整机系统因更换传感器或则拆卸重校准带来的成本、时间等不利因素的影响。
Claims (8)
1.一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，包括碳化硅衬底（1）；碳化硅衬底（1）的中间位置处设置有圆形碳化硅压力敏感膜片（3）；碳化硅衬底（1）的上表面设置有P型碳化硅（2）；P型碳化硅（2）的上表面设置有两对N型碳化硅压敏电阻（5）；两对N型碳化硅压敏电阻（5）分别布置在圆形碳化硅压力敏感膜片（3）的切向边缘与径向边缘，N型碳化硅压敏电阻（5）与P型碳化硅（2）形成PN结；N型碳化硅压敏电阻（5）和P型碳化硅（2）的表面均覆盖有氮化硅薄膜（4）；
氮化硅薄膜（4）上按顺时针依次设置有第一供电电极（8）、负输出电极（13）、第一接地电极（9）和正输出电极（12）；
N型碳化硅压敏电阻（5）上的氮化硅薄膜（4）设置有缺口，每个N型碳化硅压敏电阻（5）通过缺口与一根铂金属走线（6）的中间部位相连，第一根铂金属走线（6）的两端分别连接第一供电电极（8）与负输出电极（13）；第二根铂金属走线（6）的两端分别连接负输出电极（13）和第一接地电极（9）；第三根铂金属走线（6）的两端分别连接第一接地电极（9）和正输出电极（12）；第四根铂金属走线（6）的两端分别连接第一供电电极（8）和正输出电极（12）；
氮化硅薄膜（4）上且圆形碳化硅压力敏感膜片（3）的正上方设置有铂温度电阻（7），铂温度电阻（7）的两端分别连接第二供电电极（10）和第二接地电极（11）。
2.根据权利要求1所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，圆形碳化硅压力敏感膜片（3）通过六氟化硫和氧气的混合等离子体气体在碳化硅衬底（1）的底部干法刻蚀形成。
3.根据权利要求1所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，P型碳化硅（2）通过在碳化硅衬底（1）的上表面外延掺杂乙硼烷形成。
4.根据权利要求1所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，N型碳化硅压敏电阻（5）通过在P型碳化硅（2）上外延掺杂磷化氢形成。
5.根据权利要求1所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，铂金属走线（6）和铂温度电阻（7）通过lift-off工艺在P型碳化硅（2）的上表面沉积金属铂形成。
6.根据权利要求1所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，当碳化硅压力传感器正常工作时，第一供电电极（8）接第一外部电源，第一接地电极（9）接零位电极，两对N型碳化硅压敏电阻（5）形成惠斯通电桥，通过测量正输出电极（12）和负输出电极（13）之间的电压得到外界载荷。
7.根据权利要求1所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器，其特征在于，铂温度电阻（7）的两端为矩形，中间部分为空心王字形，铂温度电阻（7）绕圆形碳化硅压力敏感膜片（3）的圆心对称；第二供电电极（10）和第二接地电极（11）设置在圆形碳化硅压力敏感膜片（3）的外部。
8.一种基于权利要求1~7任一所述的一种具有片上自校准能力的碳化硅压力传感器的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取铂温度电阻（7）在不同电压下的挠曲变形程度，即得到不同电压下铂温度电阻（7）向圆形碳化硅压力敏感膜片（3）施加的载荷；
S2、将第二供电电极（10）接第二外部电源，将第二接地电极（11）接零位电极，获取当前第二外部电源电压值下正输出电极（12）和负输出电极（13）之间的电压；
S3、根据铂温度电阻（7）向圆形碳化硅压力敏感膜片（3）施加的载荷与正输出电极（12）和负输出电极（13）之间的电压值，对碳化硅压力传感器进行校准。
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