[发明专利]一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器

说明书

本发明公开了一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，包括具有离子掺杂的100晶向的硅晶圆，硅晶圆衬底设有切边为110晶向的硅晶圆定位边；硅晶圆上布设有硅谐振压力芯片单元，硅谐振压力芯片单元的表面设有谐振梁，谐振梁通过锚点固定在硅晶圆上，谐振梁外围的两侧分别设置有一个驱动电极，位于谐振梁的中间布置检测电极。本发明采用基于晶向‑掺杂效应的原位温度自补偿方法，通过在常规100晶向的晶圆上设置特定的谐振梁晶向方向，并利用掺杂工艺改变单晶硅材料的杨氏模量温漂系数，减小了对应晶向谐振梁的热灵敏度指标，形成一个对温度不敏感的谐振梁结构，解决了外界环境温度快速变化带来的动态误差降低的影响，产品工艺简单，良率高。

技术领域

本发明属于半导体微机电系统的技术领域，具体涉及一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器。

背景技术

随着微机电技术的发展，MEMS（半导体微机电系统）硅谐振压力传感器因其高精度、高稳定性、可批量化制造、尺寸小、功耗低等特点在航空航天、工业控制、气象测量等领域具有越来越广泛的应用。硅谐振压力传感器通常由压力敏感膜片和谐振器组成，当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片会发生挠曲变形，引起膜片上谐振器刚度发生改变，最终导致谐振器的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化即可获得外界压力值的大小。

硅谐振压力传感器的主要应用领域为航空机载大气数据系统，用于测量飞行器在飞行过程中的高度、速度等飞行参数。当飞行器在快速拉升与下降的过程中，周遭环境温度发生剧烈变化，此时谐振压力传感器的动态测量精度会急剧降低，导致飞行参数测量产生误差，极大地影响飞行安全。传统的硅谐振压力传感器如法国Tales公司的P90系列产品（美国专利US2005/0118920A1“METHOD FOR THE PRODUCTIONOFA MICROSTRUCTURECOMPRISINGA VACUUM CAVITY AND A MICROSTRUCTURE”）采用在硅谐振芯片表面集成温度传感器，通过温度传感器实时采集温度，后续软件处理的方法进行精度补偿，然而这种方案无法保证温度传感器与硅谐振芯片对外界温度快速变化响应的一致性，往往导致动态精度补偿的效果不佳。专利号为CN201510599539.8的“谐振式压力传感器”则采用差分的双谐振梁结构，通过引入两个相互对称的谐振梁结构，保持两者热灵敏度的一致性，通过差分做减的方法消除环境温度带来的影响。但是该方案对工艺要求极高，必须保证两个谐振梁的结构完全一致性，否则反而容易造成测量精度下降的问题，进一步导致产品生产良率低下。除此之外，两个对称谐振梁结构需要两套闭环检测电路，也加大了接口电路的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，以解决现有外界环境温度快速变化带来的硅谐振压力传感器的动态误差的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种具有高动态测量精度的硅谐振压力传感器，其包括具有离子掺杂的100晶向的硅晶圆，硅晶圆衬底设有切边为110晶向的硅晶圆定位边；硅晶圆上布设有硅谐振压力芯片单元，硅谐振压力芯片单元的表面设有谐振梁，谐振梁通过锚点固定在硅晶圆上，谐振梁外围的两侧分别设置有一个驱动电极，位于谐振梁的中间布置检测电极。

进一步地，硅晶圆为具有n型离子掺杂的100晶向的第一硅晶圆，第一硅晶圆中掺杂有P离子，P离子的掺杂浓度大于8e¹⁹/cm³。

进一步地，硅谐振压力芯片单元的布置方向与100晶向的方向平行，硅谐振压力芯片单元的布置方向为沿所述硅晶圆定位边逆时针旋转45°。

进一步地，谐振梁为具有100晶向的第一谐振梁，第一谐振梁的径向方向为沿硅晶圆定位边逆时针旋转45°。

进一步地，硅晶圆为具有P型离子掺杂的100晶向的第二硅晶圆，第二硅晶圆中掺杂有B离子，B离子的掺杂浓度大于5e²⁰/cm³。