CN118583363A - 一种具有片上测温元件的压力传感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有片上测温元件的压力传感器及其实现方法。本发明利用(100)晶面的<010>晶向压阻系数最小这一特性，沿<010>晶向形成测温电阻条，保证了压力传感器上制作的温度敏感电阻阻值不受安装应力和加载应力的影响；并且在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等的电阻条作为惠斯通电阻条，连接成惠斯通电桥；在压力传感器的表面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条，用来测量惠斯通电阻条的阻值；本发明无需增加额外的工艺流程即可制作片上的测温电阻条，节省了工艺成本；本发明制作片上的测温元件能极大缩短测温元件与传感器芯片的间距，减小了两者的热迟滞。

Description

一种具有片上测温元件的压力传感器及其实现方法

技术领域

本发明涉及传感器测温技术，具体涉及一种具有片上测温元件的压力传感器及其实现方法。

背景技术

温度变化使得硅压阻式压力传感器产生零点漂移和灵敏度漂移，该漂移误差是硅压阻式压力传感器的主要误差来源，为提高压力传感器的精度，除了需要提高传感器芯片静态精度外，对其进行温度补偿十分关键。

压力传感器的温度补偿通常需要较高精度的温度测量，一般使用热电阻、二极管或者整个惠斯通电桥来测量。外接温度敏感元件测温难以避免测温元件与传感器芯片的热迟滞，而利用惠斯通电桥总阻值来测温，由于对准位置、图形大小和掺杂浓度的不一致，零点输出时桥臂电阻和应力变化时桥臂电阻的变化值均近似相等，并且芯片存在安装应力，加载时应力也将导致电桥总阻值发生改变，此法存在较大的测温误差。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种具有片上测温元件的压力传感器及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种具有片上测温元件的压力传感器。

本发明的具有片上测温元件的压力传感器包括：硅层和基底；在硅层上形成压力敏感薄膜、传感器固支边、测温电阻条、惠斯通电阻条、桥臂测试电阻条和电极；其中，硅层正面为(100)晶面，(100)晶面的中心区域制备有压力敏感薄膜；硅层的背面中心区域刻蚀形成空腔，边缘作为传感器固支边，传感器固支边上不具有压力敏感薄膜，压力敏感薄膜的区域悬空；在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域形成电极；在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等的电阻条作为惠斯通电阻条，四个惠斯通电阻条连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的供电端通过电极连接至供电电源，惠斯通电桥的输出端通过电极向外部输出信号；在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条，桥臂测试电阻条通过电极连接至外部的桥臂测试恒流源，或者桥臂测试电阻条与外部的桥臂测试恒值电阻构成惠斯通电桥，形成桥臂测试电路；硅层键合在基底上，硅层的背面与基底的正面之间阳极键合，硅层的背面与基底的正面之间形成真空腔；

在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的表面沿<010>晶向形成一个电阻条作为测温电阻条，测温电阻条采用轻掺杂硼离子B⁺；轻掺杂硼离子B⁺的测温电阻条随温度升高阻值增大；(100)晶面的<010>晶向的压阻系数最小，沿<010>晶向的测温电阻条的压阻系数最小，小于2×10^-7cm²/N，测温电阻条的阻值不受安装应力和加载应力的影响，只与硅层的温度有关，且温度越高阻值越大；测温电阻条通过电极连接至外部的测温电阻恒流源，或者测温电阻条与外部的测温恒值电阻构成惠斯通电桥，形成测温电路；

通过桥臂测试电路得到惠斯通电阻条的阻值；通过测温电路测量得到测温电阻条的阻值；根据测温电阻条的阻值得到压力传感器的温度；轻掺杂的测温电阻条的浓度越低，测温电阻条的温度系数越大，构成的测温电路的灵敏度越高。

测温电阻条的阻值通过图形大小设置，测温电阻条越长阻值越大，测温电阻条越窄阻值越大；测温电阻条的阻值为100～3000Ω，适配外部电路即可。

硅层采用P型(100)晶面硅。对硅层的背面对着压力敏感薄膜的中心区域进行刻蚀，形成空腔，从而使得硅层的边缘形成传感器固支边。

压力敏感薄膜一般为正方形，边长为300～1000μm，惠斯通电阻条的零点阻值为3000～5000Ω。

惠斯通电桥是开环或闭环均易于桥臂电阻的测量。

本发明的另一个目的在于提出一种具有片上测温元件的压力传感器的实现方法。

本发明的具有片上测温元件的压力传感器的实现方法，包括以下步骤：

1)硅层的正面为(100)晶面，在(100)晶面的中心区域制备压力敏感薄膜；

2)对硅层的背面对着压力敏感薄膜的中心区域进行刻蚀，形成空腔，从而使得硅层的边缘形成传感器固支边，传感器固支边上不具有压力敏感薄膜，压力敏感薄膜的区域悬空；

3)在硅层的正面光刻出测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条的图形；对硅层的正面进行两次掺杂硼离子，每一次掺杂的浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，从而在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等的电阻条作为惠斯通电阻条，在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条，并且在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的表面沿<010>晶向形成一个电阻条作为测温电阻条；第一次掺杂对测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条整体进行掺杂，第二次掺杂只对测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条的两端进行掺杂，构成重掺杂，两端进行两次掺杂后构成的重掺杂的浓度为10¹⁵～2×10¹⁶cm^-3；从而通过两次掺杂后，电阻条中间为轻掺杂且两端为重掺杂；

4)在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域形成电极；

5)四个惠斯通电阻条连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的供电端通过电极连接至供电电源，惠斯通电桥的输出端通过电极向外部输出信号；桥臂测试电阻条通过电极连接至外部的桥臂测试恒流源，或者桥臂测试电阻条与外部的桥臂测试恒值电阻构成惠斯通电桥，形成桥臂测试电路；测温电阻条通过电极连接至外部的测温电阻恒流源，或者测温电阻条与外部的测温恒值电阻构成惠斯通电桥，形成测温电路；

6)通过桥臂测试电路得到惠斯通电阻条的阻值；

7)(100)晶面的<010>晶向的压阻系数最小，沿<010>晶向的测温电阻条的压阻系数最小，小于2×10^-7cm²/N，测温电阻条的阻值不受安装应力和加载应力的影响，只与硅层的温度有关，且温度越高阻值越大，通过测温电路测量得到温电阻条的阻值；根据温电阻条的阻值得到硅层的温度；轻掺杂的测温电阻条的浓度低，测温电阻条的温度系数越大，构成的测温电路灵敏度越高。

其中，在步骤4)中，在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域经过光刻图形化、溅射金属和剥离形成电极，电极连接到各电阻条的两端方便后续引线键合引出。

本发明的优点：

(1)本发明利用P型硅(100)晶面的<010>晶向压阻系数最小这一特性，沿<010>晶向形成测温电阻条，保证了压力传感器上制作的温度敏感电阻阻值不受安装应力和加载应力的影响；

(2)本发明无需增加额外的工艺流程即可制作片上的测温电阻条，节省了工艺成本；

(3)本发明制作片上的测温元件能极大缩短测温元件与传感器芯片的间距，减小了两者的热迟滞。

附图说明

图1为本发明的具有片上测温元件的压力传感器的一个实施例的正视图；

图2为本发明的具有片上测温元件的压力传感器的一个实施例的(100)晶面P型硅不同晶向压阻系数的示意图；

图3为本发明的具有片上测温元件的压力传感器的一个实施例的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例具有片上测温元件的压力传感器包括：硅层和基底；在硅层上形成测温电阻条、惠斯通电阻条、桥臂测试电阻条和电极；其中，硅层采用P型(100)晶面硅，正面为(100)晶面，(100)晶面的中心区域制备有压力敏感薄膜；硅层的背面中心区域进行刻蚀，边缘形成传感器固支边3，传感器固支边不具有压力敏感薄膜，压力敏感薄膜的尺寸为800μm×800μm，压力敏感薄膜的区域悬空；在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域形成多个电极1；在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等的电阻条作为惠斯通电阻条R1～R4，惠斯通电阻条的零点阻值为4000Ω四个惠斯通电阻条连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的供电端通过相应的电极连接至供电电源，惠斯通电桥的输出端通过相应的电极向外部输出信号；在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条R6，桥臂测试电阻条通过相应的电极连接至外部的桥臂测试恒流源，或者桥臂测试电阻条与外部的桥臂测试恒值电阻构成惠斯通电桥，形成桥臂测试电路；

在硅层的正面的边缘没有压力敏感薄膜的表面沿<010>晶向形成一个电阻条作为测温电阻条R5，测温电阻条的阻值为2000Ω；测温电阻条采用轻掺杂硼离子B⁺；轻掺杂硼离子B⁺的测温电阻条随温度升高阻值越大；(100)晶面的<010>晶向的压阻系数最小，沿<010>晶向的测温电阻条的压阻系数最小，小于2×10^-7cm²/N，测温电阻条的阻值不受安装应力和加载应力的影响，只与硅层的温度有关，且温度越高阻值越大；测温电阻条通过相应的电极连接至外部的测温电阻恒流源，或者测温电阻条与外部的测温恒值电阻构成惠斯通电桥，形成测温电路。

如图2所示，P型硅的(100)晶面上的三个典型晶向<011>、和<010>，π为压阻系数。

如图3所示，硅层键合在基底5上，传感器固支边3的底面与基底5的上表面之间密封，硅层的背面与基底5的上表面之间形成真空腔4。基底采用玻璃。

本实施例的具有片上测温元件的压力传感器的实现方法，包括以下步骤：

1)硅层的正面为(100)晶面，在(100)晶面的中心区域制备压力敏感薄膜；

2)对硅层的背面对着压力敏感薄膜的中心区域进行刻蚀，形成空腔，从而使得硅层的边缘形成传感器固支边，传感器固支边的正面不具有压力敏感薄膜，压力敏感薄膜的区域悬空；

3)在硅层的正面光刻出测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条的图形；对硅层的正面进行两次掺杂硼离子，第一次掺杂的浓度为5×10¹⁵cm^-3，第二次掺杂的浓度为10¹⁶cm^-3，从而在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等(4000Ω)的电阻条作为惠斯通电阻条，在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条，并且在敏感平面的边缘没有压力敏感薄膜的表面沿<010>晶向形成一个电阻条作为测温电阻条；第一次掺杂对测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条整体进行掺杂，第二次掺杂只对测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条的两端进行掺杂，构成重掺杂，从而通过两次掺杂后，电阻条中间的浓度低两端的浓度高；两端进行两次掺杂后浓度为10¹⁶cm^-3；

4)在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域经过光刻图形化、溅射金属、剥离形成多个电极，相应的电极分别连接到相应的各个电阻条的两端方便后续引线键合引出；

5)四个惠斯通电阻条连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的供电端通过相应的电极连接至供电电源，惠斯通电桥的输出端通过相应的电极向外部输出信号；桥臂测试电阻条通过相应的电极连接至外部的桥臂测试恒流源，或者桥臂测试电阻条与外部的桥臂测试恒值电阻构成惠斯通电桥，形成桥臂测试电路；测温电阻条通过相应的电极连接至外部的测温电阻恒流源，或者测温电阻条与外部的测温恒值电阻构成惠斯通电桥，形成测温电路；

6)通过桥臂测试电路得到惠斯通电阻条的阻值；

7)(100)晶面的<010>晶向的压阻系数最小，沿<010>晶向的测温电阻条的压阻系数最小，小于2×10^-7cm²/N，测温电阻条的阻值不受安装应力和加载应力的影响，只与压力传感器的温度有关，且温度越高阻值越大，通过测温电路测量得到温电阻条的阻值；

根据温电阻条的阻值得到压力传感器的温度；轻掺杂的测温电阻条的浓度低，测温电阻条的温度系数越大，构成的测温电路具有更高的灵敏度。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述具有片上测温元件的压力传感器包括：硅层和基底；在硅层上形成压力敏感薄膜、传感器固支边、测温电阻条、惠斯通电阻条、桥臂测试电阻条和电极；其中，硅层正面为(100)晶面，(100)晶面的中心区域制备有压力敏感薄膜；硅层的背面中心区域刻蚀形成空腔，边缘作为传感器固支边，传感器固支边上不具有压力敏感薄膜，压力敏感薄膜的区域悬空；在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域形成电极；在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等的电阻条作为惠斯通电阻条，四个惠斯通电阻条连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的供电端通过电极连接至供电电源，惠斯通电桥的输出端通过电极向外部输出信号；在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条，桥臂测试电阻条通过电极连接至外部的桥臂测试恒流源，或者桥臂测试电阻条与外部的桥臂测试恒值电阻构成惠斯通电桥，形成桥臂测试电路；硅层键合在基底上，硅层的背面与基底的正面之间阳极键合，硅层的背面与基底的正面之间形成真空腔；

在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的表面沿<010>晶向形成一个电阻条作为测温电阻条，测温电阻条采用轻掺杂硼离子B⁺；轻掺杂硼离子B⁺的测温电阻条随温度升高阻值增大；(100)晶面的<010>晶向的压阻系数最小，沿<010>晶向的测温电阻条的压阻系数最小，测温电阻条的阻值不受安装应力和加载应力的影响，只与硅层的温度有关，且温度越高阻值越大；测温电阻条通过电极连接至外部的测温电阻恒流源，或者测温电阻条与外部的测温恒值电阻构成惠斯通电桥，形成测温电路；

通过桥臂测试电路得到惠斯通电阻条的阻值；通过测温电路测量得到测温电阻条的阻值；根据测温电阻条的阻值得到压力传感器的温度；轻掺杂的测温电阻条的浓度越低，测温电阻条的温度系数越大，构成的测温电路的灵敏度越高。

2.如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述测温电阻条的阻值通过图形大小设置，测温电阻条越长阻值越大，测温电阻条越窄阻值越大。

3.如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述测温电阻的阻值为100～3000Ω。

4.如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述硅层采用P型(100)晶面硅。

5.如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述压力敏感薄膜的边长为300～1000μm。

6.如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述惠斯通电阻条的零点阻值为3000～5000Ω。

7.如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器，其特征在于，所述轻掺杂的浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3。

8.一种如权利要求1所述的具有片上测温元件的压力传感器的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)硅层的正面为(100)晶面，在(100)晶面的中心区域制备压力敏感薄膜；

2)对硅层的背面对着压力敏感薄膜的中心区域进行刻蚀，形成空腔，从而使得硅层的边缘形成传感器固支边，传感器固支边上不具有压力敏感薄膜，压力敏感薄膜的区域悬空；

3)在硅层的正面光刻出测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条的图形；对硅层的正面进行两次掺杂硼离子，每一次掺杂的浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，从而在压力敏感薄膜上沿<110>晶向形成四个阻值相等的电阻条作为惠斯通电阻条，在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域沿<110>晶向形成一个与惠斯通电阻条阻值相等的电阻条作为桥臂测试电阻条，并且在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的表面沿<010>晶向形成一个电阻条作为测温电阻条；第一次掺杂对测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条整体进行掺杂，第二次掺杂只对测温电阻条、惠斯通电阻条和桥臂测试电阻条的两端进行掺杂，构成重掺杂，两端进行两次掺杂后构成的重掺杂的浓度为10¹⁵～2×10¹⁶cm^-3；从而通过两次掺杂后，电阻条中间为轻掺杂且两端为重掺杂；

4)在硅层的正面边缘没有压力敏感薄膜的区域形成电极；

5)四个惠斯通电阻条连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥的供电端通过电极连接至供电电源，惠斯通电桥的输出端通过电极向外部输出信号；桥臂测试电阻条通过电极连接至外部的桥臂测试恒流源，或者桥臂测试电阻条与外部的桥臂测试恒值电阻构成惠斯通电桥，形成桥臂测试电路；测温电阻条通过电极连接至外部的测温电阻恒流源，或者测温电阻条与外部的测温恒值电阻构成惠斯通电桥，形成测温电路；

6)通过桥臂测试电路得到惠斯通电阻条的阻值；

7)(100)晶面的<010>晶向的压阻系数最小，沿<010>晶向的测温电阻条的压阻系数最小，测温电阻条的阻值不受安装应力和加载应力的影响，只与硅层的温度有关，且温度越高阻值越大，通过测温电路测量得到温电阻条的阻值；根据温电阻条的阻值得到硅层的温度；轻掺杂的测温电阻条的浓度低，测温电阻条的温度系数越大，构成的测温电路灵敏度越高。

9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤3)中，每一次掺杂的浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3。

10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤4)中，在压力传感器的表面边缘没有压力敏感薄膜的区域经过光刻图形化、溅射金属和剥离形成电极，电极连接到各电阻条的两端方便后续引线键合引出。