CN219624951U - 一种高精度片上补偿的压阻压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高精度片上补偿的压阻压力传感器，包含衬底、敏感膜、压阻层结构、补偿电阻结构、金属连接层、绝缘层；所述衬底设置有一空腔；所述敏感膜位于衬底上表面，完全覆盖整个空腔；所述压阻层结构位于敏感膜上方，且处在空腔范围之内，用于感测外界压力的信号；所述补偿电阻结构位于敏感膜上方，且处在空腔范围之外，包括至少一个零点补偿电阻、至少一个温漂补偿电阻、至少一个灵敏度校正电阻；所述金属连接层位于敏感膜上方；所述绝缘层位于传感器芯片最上层；本实用新型提供的补偿电阻均位于芯片上，所有调阻工艺也均是在芯片上进行的，不需要提供外围电路板，具有成本更低、封装面积更小的优势。

Description

一种高精度片上补偿的压阻压力传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特指一种高精度片上补偿的压阻压力传感器。

背景技术

压力传感器是应用最为广泛的传感器之一，在汽车、工业、医疗等行业的相关产品中，都需要用到压力传感器，这其中，压阻压力传感器因其具有结构简单、工艺成熟、成本低、性能好等优点而成为热门。

压阻压力传感器是利用压阻效应原理，通过将外界的压力信号转化为电信号的器件，器件中的压敏电阻的电阻值会随着外界压力的变化而变化，通过将多个压敏电阻或固定电阻连接成惠斯通电桥，可得到电压输出信号，该电压信号与外界压力呈线性关系。然而，压阻压力传感器存在信号漂移的问题，主要表现为零点漂移和灵敏度漂移。由于制造工艺的误差，实际制作出来的压力传感器在外界输入压力位0时其输出不等于，这就是零点漂移。另外，常用的压阻材料为掺杂单晶硅，由于其电阻率及压阻系数会随温度变化，因此传感器在不同的工作温度下就会出现不同的输出值。

目前解决压力传感器信号漂移问题主要有两种方法，一是通过软件算法补偿，思路是通过测试获取传感器在不同温度下的输出信号，电路中包含测温模块可获得环境温度，根据测试的数据获得该环境温度下输出信号与输入压力的映射关系，即可得到实际的压力；二是通过硬件补偿，通过外电路匹配多个电阻来进行补偿，抵消掉零点漂移以及温度漂移。

如现有技术CN115096464A公开的一种宽温高精度压力传感器及其补偿方法，该专利提供了一种软件算法补偿方法，其包含了一个压力传感器芯片，电路包含了温度测试模块，运算放大器、ADC以及MCU微控制器等。方法如下，在恒温箱中测试，首先不施加压力，测试不同温度下的温度模块的输出信号Xt，与温度值进行二次拟合，得到At，Bt，Ct，然后固定温度，测试不同施加压力下压力芯片的输出信号Xp，与压力值进行二次拟合，得到Ap，Bp，Cp，将以上所有映射关系存入MCU，实际测试时的信号处理如下，首先根据温度模块的输出信号Xt计算得到温度值，然后检索MCU存储的映射关系中此时的温度值对应的Ap，Bp，Cp数值，最后依据压力芯片的输出信号Xp计算出压力至，即为施加的实际压力；该方法需要外围电路，成本高，另外需要测试大量原始数据用于调试，流程较繁琐。

再如现有技术CN105716749A公开的，该专利提供了硬件补偿电路，除传感器芯片上的4个压阻外，电路包含了5个可调节电阻和1个串联二极管组，这6个元件分别用于零位输出补偿，零位输出温漂补偿，灵敏度温漂补偿，满量程输出补偿，内部阻抗补偿，以及工作电压温漂补偿。该方法需要外围电路和多个可调电阻，电阻数量较多且成本高。

实用新型内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高精度片上补偿的压阻压力传感器，在不需要外接电路的情况下，通过在传感器芯片上设计可调电阻，依托于激光调阻工艺，实现了较宽温度范围内的高精度补偿。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种高精度片上补偿的压阻压力传感器，包含衬底、敏感膜、压阻层结构、补偿电阻结构、金属连接层、绝缘层；

所述衬底设置有一空腔，位于传感器芯片中间；

所述敏感膜位于衬底上表面，完全覆盖整个空腔；

所述压阻层结构位于敏感膜上方，且处在空腔范围之内，用于感测外界压力的信号；

所述补偿电阻结构位于敏感膜上方，且处在空腔范围之外，包括至少一个零点补偿电阻、至少一个温漂补偿电阻、至少一个灵敏度校正电阻；

所述金属连接层位于敏感膜上方，用于线路连接；

所述绝缘层位于传感器芯片最上层，用于保护传感器芯片表面。

优选的，所述敏感膜位于衬底上方覆，且盖整个衬底，处于空腔上方的敏感膜在外界压力作用下会发生形变，而处于空腔外围的敏感膜在外界压力作用下不会发生形变。

优选的，所述压阻层结构包含了两个压敏电阻，分别布置在处于空腔上方的敏感膜处，其中一个压敏电阻位于下侧靠近空腔边缘处，电阻图形沿x方向排列，另一个压敏电阻位于右侧靠近空腔边缘处，电阻图形也沿x方向排列。

优选的，所述补偿电阻结构包含四个固定电阻，分别布置在处于空腔范围之外，其中两个固定电阻与两个压敏电阻组成惠斯通电桥结构，将外界的压力变化引起的压敏电阻值变化转化为电压信号，进行输出，剩余两个固定电阻中其中一个接入到惠斯通电桥的输出两端，用于调整传感器的灵敏度，最后一个与整个电桥进行串联，用于调整传感器的温漂。

优选的，与整个电桥进行串联的固定电阻为掺杂的单晶硅；剩余三个固定电阻以及两个压敏电阻均为同一层材料，为另一掺杂浓度的单晶硅。

优选的，与整个电桥进行串联的固定电阻，其掺杂的单晶硅为P型重掺杂的单晶硅，其电阻温度系数_TCR为正值；剩余三个固定电阻以及两个压敏电阻均，其掺杂的单晶硅均为P型轻掺杂的单晶硅，其电阻温度系数_TCR为正值，压阻温度系数_TCπ为负值，且数值大于前者。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型提供的补偿电阻均位于芯片上，所有调阻工艺也均是在芯片上进行的，因此本实用新型在不需要提供外围电路板，具有成本更低、封装面积更小的优势；

2、本实用新型提供的调阻方案为片上激光调阻工艺，通过合理的设计电阻图形和选用光斑尺寸小的激光调阻设备，就能实现高精度的调阻，相比较外围硬件电路补偿的方法，具有更高的补偿精度和更宽的温度补偿范围。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

附图1为本实用新型所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器的示意图；

附图2为本实用新型中金属连接层的示意图；

附图3为本实用新型中补偿电路连接图；

附图4为本实用新型所述的压阻压力传感器的片上调阻流程示意图。

其中：1、衬底；2、空腔；3、敏感膜；4、压阻层结构；5、补偿电阻结构；6、金属连接层；7、绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

附图1-3为本实用新型所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器，包含衬底1、敏感膜3、压阻层结构4、补偿电阻结构5、金属连接层6、绝缘层7；所述衬底1设置有一空腔2，位于传感器芯片中间；所述敏感膜3位于衬底1上表面，完全覆盖整个空腔2；所述压阻层结构4位于敏感膜3上方，且处在空腔2范围之内，用于感测外界压力的信号；所述补偿电阻结构5位于敏感膜3上方，且处在空腔2范围之外，包括至少一个零点补偿电阻、至少一个温漂补偿电阻、至少一个灵敏度校正电阻；所述金属连接层6位于敏感膜3上方，用于线路连接；所述绝缘层7位于传感器芯片最上层，用于保护传感器芯片表面。

进一步，所述敏感膜3位于衬底1上方，且覆盖整个衬底1，处于空腔2上方的敏感膜3在外界压力作用下会发生形变，而处于空腔2外围的敏感膜3在外界压力作用下不会发生形变。

进一步，压阻层结构4包含了两个压敏电阻，分别布置在处于空腔2上方的敏感膜3处，其中一个压敏电阻位于下侧靠近空腔2边缘处，电阻图形沿x方向排列，另一个压敏电阻位于右侧靠近空腔2边缘处，电阻图形也沿x方向排列，以上的排列方式使得在外界存在压力变化时，两个压敏电阻一个电阻值增大而另一个电阻值减小。

进一步，补偿电阻结构5包含了四个固定电阻，分别布置在处于空腔2范围之外，其中，R3和R4图形一致，R5和R6则需根据实际设计图形。

进一步，金属连接层6用于各电阻电气连接，所有压敏电阻和所有补偿电阻按照图4的电路连接图进行连接；其中，压敏电阻R1和R2与补偿电阻R3和R4组成惠斯通电桥结构，将外界的压力变化引起的压敏电阻值变化转化为电压信号，进行输出；R5接入到输出两端，用于调整传感器的灵敏度；R6与整个电桥进行串联，用于调整传感器的温漂。

具体的，R1、R2、R3、R4、R5在工艺加工中为同一层材料，为掺杂的单晶硅，以满足它们具有相等的电阻温度系数，R6为与前者不同，为另一掺杂浓度的单晶硅；在本实施例中，R1、R2、R3、R4、R5均为P型轻掺杂的单晶硅，其电阻温度系数_TCR为正值，压阻温度系数_TCπ为负值，R6为P型重掺杂的单晶硅，其电阻温度系数_TCR为正值，且数值小于前者。

附图4为本实用新型提供的一种高精度片上补偿的压阻压力传感器的补偿方法，包括以下步骤：

步骤S01：对零点补偿电阻进行调阻，具体在Vs和GND两端施加工作电压，但不施加压力，测量Vout+和Vout-之间的电压值，在激光调阻设备中，采用激光对电阻R3和R4图形进行激光切割，改变其电阻值，至Vout+和Vout-之间的输出电压值为0或接近于0，即调阻达到目标值，此时完成零点补偿调阻；

步骤S02：对温漂补偿电阻进行调阻，具体将传感器置于控温环境中，在Vs和GND两端施加工作电压，且施加恒定压力，在不同的温度下记录传感器的输出电压，然后采用激光对电阻R6图形进行激光切割，改变其电阻值，再次记录不同的温度下传感器Vout+和Vout-之间的的输出电压，当传感器不同的温度下记录的输出电压一致或者偏差在可接受范围内时，即调阻到达目标值，此时完成温漂补偿调阻；

步骤S03：对灵敏度校正电阻进行调阻，具体在Vs和GND两端施加工作电压，同时施加满量程压力，记录传感器Vout+和Vout-之间的输出电压，采用激光对电阻R5图形进行激光切割，调整其电阻值，当传感器Vout+和Vout-之间的输出电压为满量程输出目标值或偏差在可接受范围内时，即调阻到达目标值，此时完成灵敏度校正调阻。

进一步，上述的所有调阻均采用激光调阻方法，在传感器芯片上进行。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度片上补偿的压阻压力传感器，其特征在于：包含衬底、敏感膜、压阻层结构、补偿电阻结构、金属连接层、绝缘层；

所述衬底设置有一空腔，位于传感器芯片中间；

所述敏感膜位于衬底上表面，完全覆盖整个空腔；

所述压阻层结构位于敏感膜上方，且处在空腔范围之内，用于感测外界压力的信号；

所述补偿电阻结构位于敏感膜上方，且处在空腔范围之外，包括至少一个零点补偿电阻、至少一个温漂补偿电阻、至少一个灵敏度校正电阻；

所述金属连接层位于敏感膜上方，用于线路连接；

所述绝缘层位于传感器芯片最上层，用于保护传感器芯片表面。

2.根据权利要求1所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器，其特征在于：所述敏感膜位于衬底上方，且覆盖整个衬底，处于空腔上方的敏感膜在外界压力作用下会发生形变，而处于空腔外围的敏感膜在外界压力作用下不会发生形变。

3.根据权利要求2所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器，其特征在于：所述压阻层结构包含了两个压敏电阻，分别布置在处于空腔上方的敏感膜处，其中一个压敏电阻位于下侧靠近空腔边缘处，电阻图形沿x方向排列，另一个压敏电阻位于右侧靠近空腔边缘处，电阻图形也沿x方向排列。

4.根据权利要求3所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器，其特征在于：所述补偿电阻结构包含四个固定电阻，分别布置在处于空腔范围之外，其中两个固定电阻与两个压敏电阻组成惠斯通电桥结构，将外界的压力变化引起的压敏电阻值变化转化为电压信号，进行输出，剩余两个固定电阻中其中一个接入到惠斯通电桥的输出两端，用于调整传感器的灵敏度，最后一个与整个电桥进行串联，用于调整传感器的温漂。

5.根据权利要求4所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器，其特征在于：与整个电桥进行串联的固定电阻为掺杂的单晶硅；剩余三个固定电阻以及两个压敏电阻均为同一层材料，为另一掺杂浓度的单晶硅。

6.根据权利要求5所述的高精度片上补偿的压阻压力传感器，其特征在于：与整个电桥进行串联的固定电阻，其掺杂的单晶硅为P型重掺杂的单晶硅，其电阻温度系数_TCR为正值；剩余三个固定电阻以及两个压敏电阻均，其掺杂的单晶硅均为P型轻掺杂的单晶硅，其电阻温度系数_TCR为正值，压阻温度系数_TCπ为负值，且数值大于前者。