一种带有PT电阻的MEMS硅压力传感器芯片及传感器的制作方法

一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片及传感器
技术领域
1.本发明涉及传感器芯片技术领域，特别是涉及一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片及传感器。


背景技术：

2.mems硅压力传感器是由单晶硅通过mems加工技术制作成的硅杯状结构，参照图1所示，在薄膜正面通过掺杂或者离子注入工艺形成四个等值的半导体电阻，四个压敏电阻通过金属连接线形成惠斯通电桥电路。
3.当施加外界压力时，压敏电阻区域应力会发生变化，从而导致电阻阻值发生变化电桥失去平衡输出电压信号。但是由于半导体材料的固有属性，传感器的输出会受到温度变化的影响，导致发生温度漂移严重影响传感器的测量精度。
4.传统的温度补偿方案包括硬件补偿和软件补偿，硬件补偿通常很难应用于对补偿精度要求较高的场合且调试困难，灵活性差。软件补偿是根据标定数据利用补偿算法和数学方法来对传感器零点漂移、灵敏度漂移以及非线性问题进行修正，它需要在传感器处理电路中外接温度传感器来检测芯片工作环境温度。而在快速温度变化的使用环境下传统的外接温度传感器方式对温度的反应具有较大的滞后性，同时由于位置偏离不能准确反映芯片的真实温度。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是为了解决在快速温度变化下传感器的温度补偿问题，提高mems硅压力传感器的性能；提供了一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片及传感器。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提供一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片；包括：压敏膜片；
8.其中，压敏膜片正面刻蚀呈环状均匀布置的2n个不连续的凹区；2n个不连续的凹区相邻间隙形成n个直梁；2n个不连续的凹区围成的中间区域形成中心圆岛；n为正整数；
9.同一直梁上对称布置四个压敏电阻；
10.中心圆岛集成有pt电阻。
11.进一步地，四个压敏电阻分为两组，其中第一组为纵向电阻、；第二组为横向电阻、；第一组的电阻与第二组的电阻镜像对称。
12.进一步地，四个压敏电阻方向沿110晶向排布。
13.进一步地，压敏电阻为折弯结构。
14.进一步地，压敏电阻包括：两个压敏电阻条和一个重掺杂连接条；重掺杂连接条的两端分别对应各自连接一个压敏电阻条的一端；
15.压敏电阻条的另一端通过重掺杂连接块与金属引线连接。
16.进一步地，pt电阻为圆弧式的栅丝结构。
17.进一步地，直梁为应力集中区域，通过ansys有限元仿真得出。
18.进一步地，当n大于1时，pt电阻的金属引线布置于第一横梁，压敏电阻布置于第二直梁。
19.进一步地，第一直梁和第二直梁相互垂直。
20.第二方面，本发明实施例还提供一种传感器，包括上述第一方面的任一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片。
21.本发明的优点与效果是：
22.1.本发明中压敏膜片正面刻蚀凹区；凹区相邻间隙形成直梁；凹区围成的中间区域形成中心圆岛，形成了圆形膜片的梁膜岛结构，在梁上靠近膜片边缘和岛边缘附近处分别有正的应力集中和负的应力集中，通过在应力集中处设置压敏电阻保证了传感器芯片具有足够高的输出。在减小芯片体积，不影响线性度的情况下，利用梁结构上的高应力集中区域提高传感器的输出灵敏度。通过梁膜岛结构的应用，一方面实现了膜片局部加强的作用，可以大大减小膜片的挠度，从而减小非线性误差；另一方面，线性弯曲应力集中在窄梁上，保证了传感器的高灵敏度。
23.2.本发明在保证压敏电阻对称性布置的前提下能够优化设计结构尺寸，结合芯片梁上高应力集中范围，设计压敏电阻段数和具体尺寸最大程度利用应力集中区域，使传感器芯片输出最大化。
24.3.本发明在梁膜岛结构芯片正面岛结构上集成pt电阻，当芯片受到载荷时，膜片发生变形，而岛结构增加了膜片局部刚度，使得在正面岛上所集成的pt电阻受到弯曲形变较小。通过优化铂电阻的排布方式，采用圆弧形的栅丝结构能够有效降低在膜片受载时pt电阻的纵向应变，从而保证了pt电阻输出受膜片形变带来的影响较小，能够真实检测出温度变化。同时由于是在芯片本体上集成pt电阻，使得所集成的pt电阻能够准确的反映传感器芯片实时温度，保证了后续温度补偿输入数据的准确性。
附图说明
25.图1为现有技术中的惠斯通电桥示意图；
26.图2为本发明带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片结构示意图；
27.图3为本发明压敏电阻结构示意图；
28.图中：1、金属引线；2、压敏电阻；3、凹区；4、中心圆岛；5、直梁；6、pt电阻；7、应力集中区域；8、压敏膜片；9、重掺杂连接条；10、压敏电阻条；11、重掺杂连接块。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1：
31.参照图2所示，本发明提供一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，包括：压敏
膜片8；
32.其中，在压敏膜片8正面刻蚀呈环状均匀布置的2n个不连续的凹区3；2n个不连续的凹区3相邻间隙形成n个直梁5；2n个不连续的凹区3围成的中间区域形成中心圆岛4；n为正整数。比如图2中，n＝2，具有四个不连续的凹区3，相邻间隙形成两个直梁5。
33.本实施例中，刻蚀方法可采用koh或tmah湿法刻蚀；压敏膜片既是压敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体，所以是压力传感元件的核心部分；压敏膜片可由soi硅片制作，表面依次沉积隔离层和增稳层，隔离层通过热氧生长制作或经化学气相沉积的方法制作；本公开实施例对此不做任何限定。
34.在同一直梁5上对称布置四个压敏电阻2；压敏电阻为p型多晶硅纳米膜电阻，中心圆岛4集成有pt电阻6。
35.在本实施例中，四个压敏电阻2分为两组，其中第一组为纵向电阻r1、r3；第二组为横向电阻r2、r4；第一组的电阻与第二组的电阻镜像对称；当外界载荷作用在压敏膜片时，电阻r1、r3的阻值变大，电阻r2、r4；的阻值变小。
36.在本实施例中，直梁5靠近压敏膜片8边缘的区域有最大正的纵向横向应力差，在直梁5靠近中心圆岛4处具有负的纵向横向应力差，从而保证了压敏芯片的高灵敏度。金属引线1将4个压敏电阻2布置成全开环的惠斯通电桥电路结构，与传感器电路建立电气连接得出传感器相关测试信息。
37.在本实施例中，四个压敏电阻2方向沿110晶向排布。原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格，晶向是指晶体的一个基本特点是具有方向性，具体包括110、011、101三个指数；沿晶格的不同方向晶体性质不同。
38.在本实施例中，压敏电阻2为折弯结构；能够避免在压敏电阻条折弯处出现横向效应。
39.参照图3所示，压敏电阻2包括：两个压敏电阻条10和一个重掺杂连接条9；重掺杂连接条9的两端分别对应各自连接一个压敏电阻条10的一端；重掺杂方式采用p型重掺杂离子注入，掺杂源为硼的化合物；若采用n型重掺杂离子注入，掺杂源为磷或砷的化合物。压敏电阻条10的另一端通过重掺杂连接块11与金属引线连接。
40.如图2所示，pt电阻6为圆弧式的栅丝结构。能够有效的避免在压敏芯片工作时压敏膜片变形导致pt电阻受应变带来的输出阻值变化，从而保证了pt电阻测试温度的准确性。
41.在本实施例中，直梁为应力集中区域，通过ansys有限元仿真得出。当外界载荷作用在压敏膜片上时，应力集中区域出现在靠近膜片边缘附近，为了最大程度利用应力集中区域。在使用ansys创建实体模型时，ansys程序提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。
42.ansys程序可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
43.在本实施例中，当n大于1时，pt电阻的金属引线1布置于第一横梁，压敏电阻2布置
于第二直梁。第一直梁和第二直梁相互垂直；即能够相互为轴而满足对称性，该对称性能够尽可能的减小客观因素所带来的性能干扰程度；例如，电阻发热会由于结构的相同而对周围的温度扩散即影响也趋于相同。
44.实施例2：
45.基于同一发明构思，本发明还提供一种传感器，包括上述实施例1的带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片、硅基底、玻璃衬底以及焊盘；
46.玻璃衬底上键合有硅基底，硅基底上开设有真空腔室；玻璃衬底与硅基底之间采用阳极键合，且硅基底采用soi材料；
47.玻璃衬底与硅基底之间采用阳极键合，加热至高温时，玻璃中的钠离子变为可移动状态，在高压电场驱使下，钠离子离开接触面，接触面附近玻璃衬底中的与硅基底中的si产生共价键，因而玻璃衬底与硅基底之间的紧密连接得以实现，并且采用键合的方式把芯片密封在玻璃衬底上，大大加强了真空腔室的真空度和密封强度。
48.芯片中pt电阻和压敏电阻的金属引线的转折处连接有焊盘；金属引线可采用铜线。
49.本发明提供的一种传感器，结构简单，具有高稳定性和普适性，具有广阔的应用前景。
50.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，包括：压敏膜片；其中，所述压敏膜片正面刻蚀呈环状均匀布置的2n个不连续的凹区；2n个不连续的所述凹区相邻间隙形成n个直梁；2n个不连续的所述凹区围成的中间区域形成中心圆岛；n为正整数；同一所述直梁上对称布置四个压敏电阻；所述中心圆岛集成有pt电阻。2.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，所述四个压敏电阻分为两组，其中第一组为纵向电阻r1、r3；第二组为横向电阻r2、r4；所述第一组的电阻与第二组的电阻镜像对称。3.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，四个压敏电阻方向沿110晶向排布。4.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，所述压敏电阻为折弯结构。5.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，所述压敏电阻包括：两个压敏电阻条和一个重掺杂连接条；所述重掺杂连接条的两端分别对应各自连接一个压敏电阻条的一端；所述压敏电阻条的另一端通过重掺杂连接块与金属引线连接。6.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，所述pt电阻为圆弧式的栅丝结构。7.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，所述直梁为应力集中区域，通过ansys有限元仿真得出。8.根据权利要求1所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，当n大于1时，所述pt电阻的金属引线布置于第一横梁，所述压敏电阻布置于第二直梁。9.根据权利要求8所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片，其特征在于，所述第一直梁和第二直梁相互垂直。10.一种传感器，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的一种带有pt电阻的mems硅压力传感器芯片。

技术总结
本发明公开了一种带有PT电阻的MEMS硅压力传感器芯片及传感器，该芯片包括：压敏膜片；其中，压敏膜片正面刻蚀呈环状均匀布置的2N个不连续的凹区；2N个不连续的凹区相邻间隙形成N个直梁；2N个不连续的凹区3围成的中间区域形成中心圆岛；N为正整数；同一直梁上对称布置四个压敏电阻；中心圆岛4集成有PT电阻。本发明采用在芯片正面结构上集成PT电阻的方式温度反应实时迅速、结果真实，能够解决在快速温度变化下传感器的温度补偿问题，有助于提升MEMS硅压力传感器的性能。压力传感器的性能。压力传感器的性能。


技术研发人员：王冰 万景川 杜奋豪 谢南南 郭鹏 周峰 毛超民 邹超 杨见欢
受保护的技术使用者：昆山双桥传感器测控技术有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/19