本發(fā)明屬力敏傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種低漂移DSOI壓力傳感器。

背景技術(shù)：

目前一般的單晶擴(kuò)散硅壓力傳感器，由于橋路電阻之間的電性能隔離是靠P-N結(jié)的反向阻抗實(shí)現(xiàn)，而硅的P-N結(jié)反向電流I_r主要是由P-N結(jié)勢壘區(qū)中的產(chǎn)生電流I_g和表面漏電流I_s組成。當(dāng)溫度升高時(shí)，P-N結(jié)勢壘區(qū)中的價(jià)電子因熱激發(fā)，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，變成電子-空穴對。在P-N結(jié)勢壘區(qū)的反向電壓作用下，電子被電場掃向N區(qū)，空穴被電場掃向P區(qū)，與外電路的反向電源連接，形成P-N結(jié)反向電流I_r。由晶體管原理得到，產(chǎn)生電流I_g∝e^－Eg/2kT，式中E_g是硅的禁帶寬度，約1.12ev；k是玻爾茲曼常數(shù)；T是溫度變化值。所以硅P-N結(jié)反向電流I_r是隨溫度按e^－Eg/2kT指數(shù)規(guī)律增加。

對于一些制造不良的硅P-N結(jié)，其表面漏電流是主要的，因此在溫度不太高時(shí)，其反向電流隨溫度變化緩慢，只有當(dāng)溫度升高，以致使產(chǎn)生電流I_g大于表面漏電流I_s以后，表現(xiàn)出如圖1所示的溫度變化規(guī)律。由此可見，用硅P-N結(jié)擴(kuò)散電阻作橋路電阻的傳感器，在環(huán)境溫度超過110℃時(shí)，傳感器中兩個(gè)橋路電阻之間的反向電流I_r是常溫反向電流I_r(27℃)的200倍以上。

另外，由于工藝上的原因，微機(jī)械硅壓力傳感器總存在一定的失調(diào)電壓。這個(gè)失調(diào)電壓一般在50mV到100mV之間。原則上講，失調(diào)電壓可以通過并聯(lián)、串聯(lián)或并串聯(lián)的辦法加以消除。但實(shí)際上都不能解決問題。并聯(lián)或串聯(lián)補(bǔ)償可以在一定的溫度下實(shí)現(xiàn)調(diào)零，但會(huì)引起很大的附加溫漂，補(bǔ)償引起的附加溫漂一般可以達(dá)到1～2×10^-5Vcc/℃，相當(dāng)于工作溫度變化200℃引起的附加溫漂是滿量程輸出的50％以上，無法實(shí)用。而串－并補(bǔ)償對用于補(bǔ)償?shù)碾娮璧臏囟认禂?shù)有嚴(yán)格的要求，無法實(shí)際應(yīng)用。

目前國內(nèi)外擴(kuò)散硅壓力傳感器大多采用由四個(gè)阻值完全相等的橋路電阻組成的惠斯頓電橋的結(jié)構(gòu)形式。其中兩端加電源，兩端輸出壓阻變化的電壓信號(hào)。當(dāng)受壓面施加壓力時(shí)，其中兩個(gè)橋路電阻值增大，另外兩個(gè)橋路電阻值減小，造成電橋的不平衡，從而在輸出端產(chǎn)生與壓力成線性關(guān)系的電信號(hào)。當(dāng)受壓面不施加任何應(yīng)力時(shí)，輸出端的電信號(hào)應(yīng)嚴(yán)格地為零信號(hào)。但是實(shí)際工藝的限制，任何國內(nèi)外的壓力傳感器都存在一定的失調(diào)電壓。通過串、并聯(lián)外接電阻的辦法可以加以消除。但由于外電路的電阻材料與組成橋路電阻的半導(dǎo)體材料不一樣，所以它們的溫度系數(shù)不可能一致。這樣，當(dāng)在一定溫度下實(shí)現(xiàn)調(diào)零了，在使用溫度發(fā)生大范圍變化時(shí)，已經(jīng)調(diào)零的失調(diào)電壓會(huì)隨著使用溫度的變化引起大的附加溫漂，這將造成系統(tǒng)的測量誤差。誤差的大小決定于環(huán)境溫度的變化幅值。因此對于高溫工作的傳感器，問題更為嚴(yán)重。為了克服這個(gè)弊病，國外采用計(jì)算機(jī)輔助激光修正辦法，直接在芯片的晶體上修正內(nèi)補(bǔ)償調(diào)零電阻，但這種辦法設(shè)備投資昂貴，生產(chǎn)效率低，使器件價(jià)格居高不下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低漂移DSOI壓力傳感器，采用正面平膜結(jié)構(gòu)，包括力敏電阻、補(bǔ)償電阻和邊框，其中，力敏電阻包括橫向電阻條和縱向電阻條，其技術(shù)方案是：

該壓力傳感器的上平面設(shè)置四個(gè)力敏電阻，橫向電阻條為平行邊框上邊沿設(shè)置的力敏電阻；

所述的縱向電阻條為垂直邊框上邊沿設(shè)置的力敏電阻；

所述的橫向電阻條與縱向電阻條交錯(cuò)分布；

所述的橫向電阻條與縱向電阻條之間均串聯(lián)有用于內(nèi)部調(diào)零的兩個(gè)補(bǔ)償電阻，形成對稱電路；

所述的補(bǔ)償電阻設(shè)置在不受力的邊框上。

所述的補(bǔ)償電阻采用外接并聯(lián)電阻采用并聯(lián)調(diào)零法進(jìn)行精細(xì)調(diào)零。

所述的一種低漂移DSOI壓力傳感器，還包括：襯底、絕緣層、硅單晶膜、濃硼內(nèi)引線、方形開口、背島和鋁壓焊腳，其中，以N^-型或P^-型單晶硅作為襯底，其正面覆蓋絕緣層，絕緣層表面形成作為彈性膜的硅單晶膜；硅單晶膜上設(shè)置絕緣層后設(shè)置力敏電阻和濃硼內(nèi)引線；襯底下方設(shè)置有方形開口，方形開口內(nèi)制作一個(gè)矩形背島；方形開口上方的硅單晶膜形成彈性區(qū)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過加入補(bǔ)償電阻先內(nèi)部初調(diào)節(jié)，使失調(diào)電壓大大下降，再選用一個(gè)小電阻進(jìn)行外接并聯(lián)補(bǔ)償，可以減小溫漂，增加測量精度，同時(shí)，力敏電阻連接補(bǔ)償電阻至壓焊腳的區(qū)域全部摻濃硼，避免了傳感器經(jīng)過長期高溫高壓工作后，容易造成鋁引線斷裂的問題，從而解決了器件損壞的問題。

附圖說明

圖1為硅P-N結(jié)反向電流隨溫度的變化曲線。

圖2為本發(fā)明的俯視示意圖。

圖3為圖2的A-A向視圖。

圖4為串入補(bǔ)償電阻的電路示意圖。

圖5為A2步驟示意圖。

圖6為A5步驟示意圖。

圖7為A6步驟示意圖。

圖8為A7步驟示意圖。

圖9為A8步驟示意圖。

圖10為A10步驟示意圖。

圖11為A12步驟示意圖。

圖12為A13步驟示意圖。

圖13為A14步驟示意圖。

圖14為A16步驟示意圖。

圖15為A18步驟示意圖。

其中，1.襯底；2.絕緣層；3.硅單晶膜；4.硅單晶薄膜；5.力敏電阻；6.補(bǔ)償電阻；7.濃硼內(nèi)引線；8.鋁引線；9.邊框；10.方形開口；11.背島；12.彈性區(qū)；13.壓焊腳。

其中，501.橫向電阻條；502.縱向電阻條。

具體實(shí)施方式

如圖2～4所示，一種低漂移DSOI壓力傳感器，采用正面平膜結(jié)構(gòu)，包括力敏電阻5、補(bǔ)償電阻6和邊框9，其中，力敏電阻5包括橫向電阻條501和縱向電阻條502，其技術(shù)方案是：該壓力傳感器的上平面設(shè)置四個(gè)力敏電阻5，橫向電阻條501為平行邊框9上邊沿設(shè)置的力敏電阻5；所述的縱向電阻條502為垂直邊框9上邊沿設(shè)置的力敏電阻5；

所述的橫向電阻條501與縱向電阻條502交錯(cuò)分布；

所述的橫向電阻條501與縱向電阻條502之間均串聯(lián)有用于內(nèi)部調(diào)零的兩個(gè)補(bǔ)償電阻6，形成對稱電路；所述的補(bǔ)償電阻6設(shè)置在不受力的邊框9上；補(bǔ)償電阻6為SOI電阻。

所述的補(bǔ)償電阻6外接并聯(lián)電阻采用并聯(lián)調(diào)零法進(jìn)行精細(xì)調(diào)零。

所述的力敏電阻5連接補(bǔ)償電阻6至壓焊腳13的區(qū)域全部摻濃硼，使其成為低阻的單晶硅引線。

所述的一種低漂移DSOI壓力傳感器，還包括：襯底1、絕緣層2、硅單晶膜3、濃硼內(nèi)引線7、方形開口10、背島11和鋁壓焊腳13，其中，以N^-型或P^-型單晶硅作為襯底1，其正面覆蓋絕緣層2，絕緣層2表面形成作為彈性膜的硅單晶膜3；硅單晶膜3上設(shè)置絕緣層2后設(shè)置力敏電阻5和濃硼內(nèi)引線7；襯底1下方設(shè)置有方形開口10，方形開口10內(nèi)制作一個(gè)矩形背島11；方形開口10上方的硅單晶膜3形成彈性區(qū)12。

所述的彈性硅單晶膜3的正反面具有厚度相等、光潔勻稱的絕緣層2。其中正面的絕緣層是用以力敏電阻之間的介質(zhì)隔離，而背面的絕緣層2是用以腐蝕背大膜時(shí)的自終止純化膜。由于正反面具有厚度相等、光潔勻稱的絕緣層2，使上下表面產(chǎn)生的應(yīng)力相互抵消。

所述的硅單晶膜3的厚度取決于量程大小。

所述力敏電阻5和補(bǔ)償電阻6之間采用濃硼內(nèi)引線7連接，并在其上覆蓋鋁引線8和鋁壓焊腳13，形成雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。

所述的矩形的背島11能夠起到達(dá)到過載限位和提高傳感器靈敏度、改善傳感器的非線性的作用。

如圖4和圖2，由于R₁和R₃電阻條垂直于邊框9的上邊沿，根據(jù)其與邊框9的上邊沿的位置關(guān)系確認(rèn)為縱向電阻條502；而R₂和R₄電阻條平行于邊框9的上邊沿，根據(jù)其與邊框9的上邊沿的位置關(guān)系確認(rèn)為橫向電阻條501。

以上所述的力敏電阻5是制作在芯片彈性膜邊緣應(yīng)力峰值區(qū)。當(dāng)正面受到正壓強(qiáng)時(shí)，R₁和R₃增大，R₂和R₄減小，使電橋失去平衡，產(chǎn)生與壓強(qiáng)成正比的電信號(hào)。

設(shè)四個(gè)力敏電阻5中，R₁＝R₃＝R₄＝R_B設(shè)左下角的電阻R₂略微偏大，可以表示成R₂＝R_B(1+β)，其中β為一個(gè)數(shù)量級(jí)為10^-2的小量。

力敏電阻5的電阻溫度系數(shù)α_b一般為+0.2％左右，與外界補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)α_d為接近于零的差別，橋路又會(huì)失去平衡出現(xiàn)失調(diào)電壓。其失調(diào)電壓的溫度系數(shù)為

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

溫度為t時(shí)的失調(diào)電壓為：

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

假設(shè)補(bǔ)償電阻6選用外接并聯(lián)0.3方塊的電阻時(shí)，

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

并設(shè)(α_b-α_d)＝2×10^-3/℃，

根據(jù)式(1)得到

即TCO_max≈10^-6V_S。

在V_S＝5V時(shí)，有TCO_max＝-4.7μV/℃，即在溫度變化160℃時(shí)因失調(diào)補(bǔ)償引進(jìn)的失調(diào)電壓為△V_o＝7.5×10^-5V_S＝0.75mV。

所述的內(nèi)部調(diào)零原理：在力敏電阻5回路中再串入四個(gè)用于內(nèi)部調(diào)零用的補(bǔ)償電阻6。調(diào)零時(shí)，先利用四個(gè)內(nèi)部的補(bǔ)償電阻6實(shí)現(xiàn)初調(diào)節(jié)，使失調(diào)電壓大大下降，就是使β值下降一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即下降到10^-3的量級(jí)。此時(shí)，惠斯頓電橋的某些橋臂已不再是一個(gè)單一的電阻，而是一個(gè)力敏電阻和一個(gè)或幾個(gè)補(bǔ)償電阻6串聯(lián)組成。于是可以選取一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電阻6，在這個(gè)補(bǔ)償電阻6上，并聯(lián)一個(gè)外接電阻進(jìn)行精細(xì)調(diào)零。

如圖4，管座一般八個(gè)引線，除四個(gè)力敏電阻5外另外串聯(lián)四個(gè)補(bǔ)償電阻，形成了一共有八個(gè)電阻和八個(gè)引出腳的電路。其中，四個(gè)力敏電阻5為40方塊，上面的兩個(gè)電源端調(diào)節(jié)電阻為0.9方塊，供調(diào)節(jié)選用的電源端為V_－1,V_o和V₊₁。而其串聯(lián)的兩個(gè)補(bǔ)償電阻為0.3方塊，供調(diào)節(jié)選用的接地端為G_－1,G_o,和G₊₁。工藝完全理想的情況下，電路完全對稱，選用電源端V_o和地端G_o時(shí)，橋路的輸出為零。但因工藝原因電路不可能完全對稱，即在選用電源端V_o和地端G_o時(shí)，橋路的輸出不為零，一般在0到100mV的范圍內(nèi)。在此情況下，如果根據(jù)失調(diào)電壓的方向選用不同的電源端和不同的地端對失調(diào)電壓進(jìn)行初調(diào)，就可以大大減小失調(diào)電壓。對圖2所示的電路初調(diào)后的失調(diào)電壓一般可以減小到5mV以下。在初調(diào)后再選用一個(gè)補(bǔ)償電阻6進(jìn)行外接并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

解決溫度漂移的硬件方法有在橋臂上串聯(lián)電阻調(diào)零法和并聯(lián)電阻的并聯(lián)調(diào)零法，橋臂熱敏電阻補(bǔ)償法，橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補(bǔ)償法，雙電橋補(bǔ)償技術(shù)、三極管補(bǔ)償技術(shù)等。所述的補(bǔ)償電阻6外接有并聯(lián)電阻，采用并聯(lián)調(diào)零法進(jìn)行調(diào)零。并聯(lián)調(diào)零法是力敏傳感器中常見的調(diào)零方式，為本領(lǐng)域人員可以直接獲得的技術(shù)方案。

一般壓力傳感器的內(nèi)部引線都采用獨(dú)立的鋁引線8或鎢鈦銅鋁多層復(fù)合布線。由于SOI單晶硅力敏電阻具有一定的厚度，當(dāng)鋁引線8從力敏電阻5的引線孔引到邊框9的壓焊腳13時(shí)，就會(huì)經(jīng)過高低不平的兩個(gè)平面，當(dāng)單晶硅薄膜偏厚而鋁層偏薄的情況下，就會(huì)造成鋁引線8在兩個(gè)平面交界的邊緣處發(fā)生斷裂現(xiàn)象，造成器件失效。尤其是傳感器經(jīng)過長期高溫高壓工作后，鋁引線8更容易斷裂，造成傳感器失效，可靠性大大下降。

在設(shè)置力敏電阻5和補(bǔ)償電阻6的同時(shí)，同時(shí)制作濃硼內(nèi)引線7，并使其與力敏電阻5和補(bǔ)償電阻6連為一體，從力敏電阻5和補(bǔ)償電阻6的引線孔開始至邊框9的壓焊腳13全部摻濃硼，使其成為低阻的濃硼內(nèi)引線7。當(dāng)鋁引線8在其表面引出時(shí)，就不存在高低不平的平面，保證了傳感器在長期工作過程中的高可靠性。

本發(fā)明采用已公開的發(fā)明專利，專利號(hào)：ZL97106555.1所公開的方法：在本發(fā)明的的背面靠近邊框9或背島11處先刻出有掩膜的圖形，在KOH腐蝕液中進(jìn)行有掩膜腐蝕，腐蝕一定深度后去掉SiO₂，保留Si₃N₄，接著進(jìn)行無掩膜腐蝕，從而形成硅單晶膜3、硅單晶薄膜4與邊框9或背島11的交界處要形成有一定曲率半經(jīng)的緩變結(jié)構(gòu)。

一種低漂移DSOI壓力傳感器的制作工藝是：

S1.取一片厚度為0.6毫米，直徑6英吋晶向?yàn)?00的雙面拋光的單晶硅作襯底1，采用SBD技術(shù)制作雙層DSOI絕緣硅片。

S2.采用氧化光刻工藝，在襯底兩面先形成雙面光刻對準(zhǔn)記號(hào)，然后繼續(xù)氧化并在襯底1的背面光刻出方形開口10，用TMAH腐蝕液腐蝕方形開口中的硅表面，限位間隙為5－10μm，視量程不同，間隙不一樣。量程越小，間隙越大。

S3.雙面氧化并淀積絕緣層2。

S4.光刻單晶硅力敏電阻5、補(bǔ)償電阻6和作連接用濃硼內(nèi)引線7。

S5.采用離子束注入技術(shù)或熱擴(kuò)散技術(shù)，在硅單晶薄膜4中摻入硼原子，使其成為P型導(dǎo)電層，再用光刻和濕法或RIE干法刻蝕技術(shù)，在表面形成力敏電阻5、補(bǔ)償電阻6和作連接用濃硼內(nèi)引線7。

S6.背面光刻矩形背島11、正面光刻引線孔，并蒸鍍鋁膜反刻形成鋁引線8，使力敏電阻5和補(bǔ)償電阻6之間形成閉環(huán)的惠斯頓電橋，在邊框9上引出四個(gè)壓焊腳13。

S7.對襯底背面方形開口區(qū)10進(jìn)行濕法腐蝕，直至對應(yīng)所需要量程的深度。

所述的絕緣層2為二氧化硅或氮化硅。

一種低漂移DSOI壓力傳感器的制作步驟是：

A1.雙面熱生長二氧化硅，作為絕緣層2；

A2.雙面光刻，形成正反面光刻對準(zhǔn)記號(hào)，如圖5所示；

A3.雙面熱生長二氧化硅；

A4.光刻背大膜，正面膠保護(hù)；

A5.對背大膜進(jìn)行腐蝕，如圖6所示；

A6.雙面熱生長二氧化硅，如圖7所示；

A7.光刻濃硼埋層區(qū)，如圖8所示；

A8.濃硼埋層區(qū)摻雜擴(kuò)散，形成低阻的導(dǎo)電區(qū)，如圖9所示；

A9.漂凈正面的硼硅玻璃及氧化層；

A10.正面全方位硼離子注入，如圖10所示；

A11.離子注入退火兼硼離子再分布，滿足一定的結(jié)深和薄層電阻的要求；

A12.反刻力敏電阻5、內(nèi)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電阻6、濃硼內(nèi)引線7，如圖11所示；

A13.干法刻蝕力敏電阻5、內(nèi)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電阻6和濃硼內(nèi)引線7，如圖12所示；

A14.正面光刻引線孔，背面光刻背島11和分片槽，如圖13所示；

A15.蒸鍍鋁層；

A16.反刻鋁引線8，如圖14所示；

A17.鋁引線8和引線孔內(nèi)濃硼區(qū)合金化，形成歐姆接觸；

A18.用夾具，對背島11和分片槽進(jìn)行濕法腐蝕，至所需深度，如圖15所示。

采用本發(fā)明所述的方法，內(nèi)部串聯(lián)補(bǔ)償電阻6先進(jìn)行內(nèi)部調(diào)零，再選取合適的補(bǔ)償電阻6進(jìn)行外部并聯(lián)電阻進(jìn)行精細(xì)調(diào)零，使因補(bǔ)償引起的溫漂減小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，控制在1×10^-6Vcc/℃以內(nèi)。即200℃的溫度變化引起的附加溫漂在滿量程輸出的3％以內(nèi)。