一种低漂移DSOI压力传感器的利记博彩app

本发明属力敏传感器技术领域，具体为一种低漂移DSOI压力传感器。

背景技术：

目前一般的单晶扩散硅压力传感器，由于桥路电阻之间的电性能隔离是靠P-N结的反向阻抗实现，而硅的P-N结反向电流I_r主要是由P-N结势垒区中的产生电流I_g和表面漏电流I_s组成。当温度升高时，P-N结势垒区中的价电子因热激发，从价带跃迁到导带，变成电子-空穴对。在P-N结势垒区的反向电压作用下，电子被电场扫向N区，空穴被电场扫向P区，与外电路的反向电源连接，形成P-N结反向电流I_r。由晶体管原理得到，产生电流I_g∝e^－Eg/2kT，式中E_g是硅的禁带宽度，约1.12ev；k是玻尔兹曼常数；T是温度变化值。所以硅P-N结反向电流I_r是随温度按e^－Eg/2kT指数规律增加。

对于一些制造不良的硅P-N结，其表面漏电流是主要的，因此在温度不太高时，其反向电流随温度变化缓慢，只有当温度升高，以致使产生电流I_g大于表面漏电流I_s以后，表现出如图1所示的温度变化规律。由此可见，用硅P-N结扩散电阻作桥路电阻的传感器，在环境温度超过110℃时，传感器中两个桥路电阻之间的反向电流I_r是常温反向电流I_r(27℃)的200倍以上。

另外，由于工艺上的原因，微机械硅压力传感器总存在一定的失调电压。这个失调电压一般在50mV到100mV之间。原则上讲，失调电压可以通过并联、串联或并串联的办法加以消除。但实际上都不能解决问题。并联或串联补偿可以在一定的温度下实现调零，但会引起很大的附加温漂，补偿引起的附加温漂一般可以达到1～2×10^-5Vcc/℃，相当于工作温度变化200℃引起的附加温漂是满量程输出的50％以上，无法实用。而串－并补偿对用于补偿的电阻的温度系数有严格的要求，无法实际应用。

目前国内外扩散硅压力传感器大多采用由四个阻值完全相等的桥路电阻组成的惠斯顿电桥的结构形式。其中两端加电源，两端输出压阻变化的电压信号。当受压面施加压力时，其中两个桥路电阻值增大，另外两个桥路电阻值减小，造成电桥的不平衡，从而在输出端产生与压力成线性关系的电信号。当受压面不施加任何应力时，输出端的电信号应严格地为零信号。但是实际工艺的限制，任何国内外的压力传感器都存在一定的失调电压。通过串、并联外接电阻的办法可以加以消除。但由于外电路的电阻材料与组成桥路电阻的半导体材料不一样，所以它们的温度系数不可能一致。这样，当在一定温度下实现调零了，在使用温度发生大范围变化时，已经调零的失调电压会随着使用温度的变化引起大的附加温漂，这将造成系统的测量误差。误差的大小决定于环境温度的变化幅值。因此对于高温工作的传感器，问题更为严重。为了克服这个弊病，国外采用计算机辅助激光修正办法，直接在芯片的晶体上修正内补偿调零电阻，但这种办法设备投资昂贵，生产效率低，使器件价格居高不下。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低漂移DSOI压力传感器，采用正面平膜结构，包括力敏电阻、补偿电阻和边框，其中，力敏电阻包括横向电阻条和纵向电阻条，其技术方案是：

该压力传感器的上平面设置四个力敏电阻，横向电阻条为平行边框上边沿设置的力敏电阻；

所述的纵向电阻条为垂直边框上边沿设置的力敏电阻；

所述的横向电阻条与纵向电阻条交错分布；

所述的横向电阻条与纵向电阻条之间均串联有用于内部调零的两个补偿电阻，形成对称电路；

所述的补偿电阻设置在不受力的边框上。

所述的补偿电阻采用外接并联电阻采用并联调零法进行精细调零。

所述的一种低漂移DSOI压力传感器，还包括：衬底、绝缘层、硅单晶膜、浓硼内引线、方形开口、背岛和铝压焊脚，其中，以N^-型或P^-型单晶硅作为衬底，其正面覆盖绝缘层，绝缘层表面形成作为弹性膜的硅单晶膜；硅单晶膜上设置绝缘层后设置力敏电阻和浓硼内引线；衬底下方设置有方形开口，方形开口内制作一个矩形背岛；方形开口上方的硅单晶膜形成弹性区。

本发明的有益效果是：本发明通过加入补偿电阻先内部初调节，使失调电压大大下降，再选用一个小电阻进行外接并联补偿，可以减小温漂，增加测量精度，同时，力敏电阻连接补偿电阻至压焊脚的区域全部掺浓硼，避免了传感器经过长期高温高压工作后，容易造成铝引线断裂的问题，从而解决了器件损坏的问题。

附图说明

图1为硅P-N结反向电流随温度的变化曲线。

图2为本发明的俯视示意图。

图3为图2的A-A向视图。

图4为串入补偿电阻的电路示意图。

图5为A2步骤示意图。

图6为A5步骤示意图。

图7为A6步骤示意图。

图8为A7步骤示意图。

图9为A8步骤示意图。

图10为A10步骤示意图。

图11为A12步骤示意图。

图12为A13步骤示意图。

图13为A14步骤示意图。

图14为A16步骤示意图。

图15为A18步骤示意图。

其中，1.衬底；2.绝缘层；3.硅单晶膜；4.硅单晶薄膜；5.力敏电阻；6.补偿电阻；7.浓硼内引线；8.铝引线；9.边框；10.方形开口；11.背岛；12.弹性区；13.压焊脚。

其中，501.横向电阻条；502.纵向电阻条。

具体实施方式

如图2～4所示，一种低漂移DSOI压力传感器，采用正面平膜结构，包括力敏电阻5、补偿电阻6和边框9，其中，力敏电阻5包括横向电阻条501和纵向电阻条502，其技术方案是：该压力传感器的上平面设置四个力敏电阻5，横向电阻条501为平行边框9上边沿设置的力敏电阻5；所述的纵向电阻条502为垂直边框9上边沿设置的力敏电阻5；

所述的横向电阻条501与纵向电阻条502交错分布；

所述的横向电阻条501与纵向电阻条502之间均串联有用于内部调零的两个补偿电阻6，形成对称电路；所述的补偿电阻6设置在不受力的边框9上；补偿电阻6为SOI电阻。

所述的补偿电阻6外接并联电阻采用并联调零法进行精细调零。

所述的力敏电阻5连接补偿电阻6至压焊脚13的区域全部掺浓硼，使其成为低阻的单晶硅引线。

所述的一种低漂移DSOI压力传感器，还包括：衬底1、绝缘层2、硅单晶膜3、浓硼内引线7、方形开口10、背岛11和铝压焊脚13，其中，以N^-型或P^-型单晶硅作为衬底1，其正面覆盖绝缘层2，绝缘层2表面形成作为弹性膜的硅单晶膜3；硅单晶膜3上设置绝缘层2后设置力敏电阻5和浓硼内引线7；衬底1下方设置有方形开口10，方形开口10内制作一个矩形背岛11；方形开口10上方的硅单晶膜3形成弹性区12。

所述的弹性硅单晶膜3的正反面具有厚度相等、光洁匀称的绝缘层2。其中正面的绝缘层是用以力敏电阻之间的介质隔离，而背面的绝缘层2是用以腐蚀背大膜时的自终止纯化膜。由于正反面具有厚度相等、光洁匀称的绝缘层2，使上下表面产生的应力相互抵消。

所述的硅单晶膜3的厚度取决于量程大小。

所述力敏电阻5和补偿电阻6之间采用浓硼内引线7连接，并在其上覆盖铝引线8和铝压焊脚13，形成双导线结构。

所述的矩形的背岛11能够起到达到过载限位和提高传感器灵敏度、改善传感器的非线性的作用。

如图4和图2，由于R₁和R₃电阻条垂直于边框9的上边沿，根据其与边框9的上边沿的位置关系确认为纵向电阻条502；而R₂和R₄电阻条平行于边框9的上边沿，根据其与边框9的上边沿的位置关系确认为横向电阻条501。

以上所述的力敏电阻5是制作在芯片弹性膜边缘应力峰值区。当正面受到正压强时，R₁和R₃增大，R₂和R₄减小，使电桥失去平衡，产生与压强成正比的电信号。

设四个力敏电阻5中，R₁＝R₃＝R₄＝R_B设左下角的电阻R₂略微偏大，可以表示成R₂＝R_B(1+β)，其中β为一个数量级为10^-2的小量。

力敏电阻5的电阻温度系数α_b一般为+0.2％左右，与外界补偿电阻的温度系数α_d为接近于零的差别，桥路又会失去平衡出现失调电压。其失调电压的温度系数为

$TCO=-\frac{1}{4}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d){\mathrm{\βV}}_S---\left(1\right).$

温度为t时的失调电压为：

$V_{OS}\left(t\right)=-\frac{1}{4}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d){\mathrm{\βV}}_S(t-t_o)---\left(2\right).$

假设补偿电阻6选用外接并联0.3方块的电阻时，

$k=\mathrm{\α}+\mathrm{\β}=\frac{0.3}{40}=0.0075---\left(3\right)$

并设(α_b-α_d)＝2×10^-3/℃，

根据式(1)得到

即TCO_max≈10^-6V_S。

在V_S＝5V时，有TCO_max＝-4.7μV/℃，即在温度变化160℃时因失调补偿引进的失调电压为△V_o＝7.5×10^-5V_S＝0.75mV。

所述的内部调零原理：在力敏电阻5回路中再串入四个用于内部调零用的补偿电阻6。调零时，先利用四个内部的补偿电阻6实现初调节，使失调电压大大下降，就是使β值下降一个数量级以上，即下降到10^-3的量级。此时，惠斯顿电桥的某些桥臂已不再是一个单一的电阻，而是一个力敏电阻和一个或几个补偿电阻6串联组成。于是可以选取一个适当的补偿电阻6，在这个补偿电阻6上，并联一个外接电阻进行精细调零。

如图4，管座一般八个引线，除四个力敏电阻5外另外串联四个补偿电阻，形成了一共有八个电阻和八个引出脚的电路。其中，四个力敏电阻5为40方块，上面的两个电源端调节电阻为0.9方块，供调节选用的电源端为V_－1,V_o和V₊₁。而其串联的两个补偿电阻为0.3方块，供调节选用的接地端为G_－1,G_o,和G₊₁。工艺完全理想的情况下，电路完全对称，选用电源端V_o和地端G_o时，桥路的输出为零。但因工艺原因电路不可能完全对称，即在选用电源端V_o和地端G_o时，桥路的输出不为零，一般在0到100mV的范围内。在此情况下，如果根据失调电压的方向选用不同的电源端和不同的地端对失调电压进行初调，就可以大大减小失调电压。对图2所示的电路初调后的失调电压一般可以减小到5mV以下。在初调后再选用一个补偿电阻6进行外接并联电阻实现补偿。

解决温度漂移的硬件方法有在桥臂上串联电阻调零法和并联电阻的并联调零法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。所述的补偿电阻6外接有并联电阻，采用并联调零法进行调零。并联调零法是力敏传感器中常见的调零方式，为本领域人员可以直接获得的技术方案。

一般压力传感器的内部引线都采用独立的铝引线8或钨钛铜铝多层复合布线。由于SOI单晶硅力敏电阻具有一定的厚度，当铝引线8从力敏电阻5的引线孔引到边框9的压焊脚13时，就会经过高低不平的两个平面，当单晶硅薄膜偏厚而铝层偏薄的情况下，就会造成铝引线8在两个平面交界的边缘处发生断裂现象，造成器件失效。尤其是传感器经过长期高温高压工作后，铝引线8更容易断裂，造成传感器失效，可靠性大大下降。

在设置力敏电阻5和补偿电阻6的同时，同时制作浓硼内引线7，并使其与力敏电阻5和补偿电阻6连为一体，从力敏电阻5和补偿电阻6的引线孔开始至边框9的压焊脚13全部掺浓硼，使其成为低阻的浓硼内引线7。当铝引线8在其表面引出时，就不存在高低不平的平面，保证了传感器在长期工作过程中的高可靠性。

本发明采用已公开的发明专利，专利号：ZL97106555.1所公开的方法：在本发明的的背面靠近边框9或背岛11处先刻出有掩膜的图形，在KOH腐蚀液中进行有掩膜腐蚀，腐蚀一定深度后去掉SiO₂，保留Si₃N₄，接着进行无掩膜腐蚀，从而形成硅单晶膜3、硅单晶薄膜4与边框9或背岛11的交界处要形成有一定曲率半经的缓变结构。

一种低漂移DSOI压力传感器的制作工艺是：

S1.取一片厚度为0.6毫米，直径6英吋晶向为100的双面抛光的单晶硅作衬底1，采用SBD技术制作双层DSOI绝缘硅片。

S2.采用氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底1的背面光刻出方形开口10，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口中的硅表面，限位间隙为5－10μm，视量程不同，间隙不一样。量程越小，间隙越大。

S3.双面氧化并淀积绝缘层2。

S4.光刻单晶硅力敏电阻5、补偿电阻6和作连接用浓硼内引线7。

S5.采用离子束注入技术或热扩散技术，在硅单晶薄膜4中掺入硼原子，使其成为P型导电层，再用光刻和湿法或RIE干法刻蚀技术，在表面形成力敏电阻5、补偿电阻6和作连接用浓硼内引线7。

S6.背面光刻矩形背岛11、正面光刻引线孔，并蒸镀铝膜反刻形成铝引线8，使力敏电阻5和补偿电阻6之间形成闭环的惠斯顿电桥，在边框9上引出四个压焊脚13。

S7.对衬底背面方形开口区10进行湿法腐蚀，直至对应所需要量程的深度。

所述的绝缘层2为二氧化硅或氮化硅。

一种低漂移DSOI压力传感器的制作步骤是：

A1.双面热生长二氧化硅，作为绝缘层2；

A2.双面光刻，形成正反面光刻对准记号，如图5所示；

A3.双面热生长二氧化硅；

A4.光刻背大膜，正面胶保护；

A5.对背大膜进行腐蚀，如图6所示；

A6.双面热生长二氧化硅，如图7所示；

A7.光刻浓硼埋层区，如图8所示；

A8.浓硼埋层区掺杂扩散，形成低阻的导电区，如图9所示；

A9.漂净正面的硼硅玻璃及氧化层；

A10.正面全方位硼离子注入，如图10所示；

A11.离子注入退火兼硼离子再分布，满足一定的结深和薄层电阻的要求；

A12.反刻力敏电阻5、内补偿的补偿电阻6、浓硼内引线7，如图11所示；

A13.干法刻蚀力敏电阻5、内补偿的补偿电阻6和浓硼内引线7，如图12所示；

A14.正面光刻引线孔，背面光刻背岛11和分片槽，如图13所示；

A15.蒸镀铝层；

A16.反刻铝引线8，如图14所示；

A17.铝引线8和引线孔内浓硼区合金化，形成欧姆接触；

A18.用夹具，对背岛11和分片槽进行湿法腐蚀，至所需深度，如图15所示。

采用本发明所述的方法，内部串联补偿电阻6先进行内部调零，再选取合适的补偿电阻6进行外部并联电阻进行精细调零，使因补偿引起的温漂减小1～2个数量级，控制在1×10^-6Vcc/℃以内。即200℃的温度变化引起的附加温漂在满量程输出的3％以内。