一种MEMS压力传感器及片上零漂和温漂补偿方法

本发明涉及一种mems压力传感器及零漂和温漂补偿方法。

背景技术：

1、mems压力传感器是一种基于微机电系统(mems)技术的高精度器件，主要通过微机械结构将难以测量的压力信号转换为易于处理的电信号。根据测量机制和结构的不同，主流的mems压力传感器可分为五类：压阻式、电容式、谐振式、压电式和光纤式。其中，mems压阻式压力传感器因其结构简单、体积小、线性度好、加工工艺简单及易于集成等优点，被广泛应用于消费电子(如电子烟和智能可穿戴设备)、汽车电子、工业机器人、航空航天及医疗健康等领域。

2、当前，mems压阻式压力传感器通常采用单惠斯通电桥结构。然而，在实际生产过程中，由于光刻工艺和扩散工艺的误差，通过离子注入工艺制备的四组压敏电阻之间存在阻值失配。具体而言，受温度、时间周期、杂质浓度、掩膜排列及其他环境因素的影响，压敏电阻的掺杂浓度在晶圆间存在误差，即晶圆间误差；受温度梯度、炉内掺杂气体分布不均及掩膜误差等因素的影响，掺杂浓度在同一晶圆内也存在误差，即晶圆内误差。这些随机误差导致传统mems压阻式压力传感器在制造过程中产生压敏电阻初始阻值失配，从而引起零点漂移。在批量生产中，每个传感器因随机工艺误差呈现不同的初始阻值失配，显著降低了整个批次传感器零点漂移的一致性。

3、目前，为实现大批量压力传感器的零点补偿，通常的方法是先对一批传感器进行测量标定，得到其零点漂移的平均值，然后将该常量应用于整批传感器的零点补偿。然而，由于随机误差的存在，这种直接补偿方法会显著影响芯片间的一致性，导致补偿后的误差较大。即使依靠后端调理电路进行补偿，也会导致电路复杂化并提高成本。因此，迫切需要一种能够在芯片上对器件零点漂移进行补偿的方法，这种补偿方法不仅要求对每个传感器的初始零点漂移进行精准测量和校正，还需要在生产过程中对各种可能的随机误差进行充分考虑和控制，以确保最终产品的稳定性和可靠性。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种mems压力传感器片上补偿零漂和温漂的方法，通过采用在惠斯通电桥中集成补偿电阻的方案实现桥内硬件补偿以减少因随机工艺误差导致的传感器零点漂移偏差，进而在批量生产时提升晶圆间芯片与晶圆内芯片的性能一致性。本发明的另一目的是，提出一种具有片上零漂和温漂补偿的mems压力传感器。

2、技术方案：一种mems压力传感器片上补偿零漂和温漂的方法，包括：

3、首先，在mems制备工艺过程中，在构成mems压力传感器的惠斯通电桥的各压敏电阻外侧分别制备低温度系数的补偿电阻，该补偿电阻通过金属引线与对应的一个压敏电阻连接；

4、然后，对同一批晶圆器件中的标志器件，通过光刻或激光修调截断各补偿电阻电路，测定未进行补偿的器件在不同温度下输出电压的大小，获得补偿电阻接入惠斯通电桥的串并联形式和阻值大小的补偿方案；

5、最后，依据所得的补偿方案，对同一批晶圆器件的补偿电阻电路分别进行光刻或激光修调，实现对工艺随机误差导致的零点漂移偏差的硬件补偿以及热应力误差导致的温漂的补偿。

6、进一步的，包括硅衬底层、硅器件层、惠斯通电桥、补偿电阻电路；

7、硅衬底层的上表面设有刻蚀槽，并与硅器件层键合形成空腔，所述硅器件层正对空腔的部分作为敏感薄膜；所述敏感薄膜上设有四个压敏电阻，所述四个压敏电阻通过金属引线连接构成惠斯通电桥；

8、所述补偿电阻电路包括位于所述敏感薄膜外侧的四个低温度系数的补偿电阻，并通过金属引线与所述四个压敏电阻一一对应连接；所述补偿电阻为设置在所述硅器件层之上的中介层表面的金属薄膜电阻，或设置在所述压敏电阻同一层的掺杂多晶硅电阻；

9、通过对金属引线进行光刻或激光修调实现所述补偿电阻与所述惠斯通电桥的四个压敏电阻的串并联设定，并通过对所述补偿电阻进行光刻或激光修调实现接入所述惠斯通电桥的阻值设定。

10、进一步的，当所述补偿电阻为金属薄膜电阻时，在所述中介层的表面通过溅射合金，随后利用剥离工艺涂布光刻胶并曝光显影形成所述金属薄膜电阻。

11、进一步的，当所述补偿电阻为掺杂多晶硅电阻时，通过对所述硅器件层的局部区域进行硼离子注入制作所述压敏电阻的同时，通过离子注入的方式实现局部区域的多晶硅掺杂，形成所述掺杂多晶硅电阻。

12、进一步的，所述惠斯通电桥由四个[110]晶向的压敏电阻构成，各压敏电阻分别位于所述敏感薄膜四边的中心位置。

13、有益效果：本发明的核心在于预先在器件中搭建补偿电阻电路，通过对同一批晶圆器件中的标志器件测定未进行补偿条件下在不同温度下输出电压的大小，以此获得补偿电阻接入惠斯通电桥的串并联形式和阻值大小，基于此再通过光刻或激光修调对同一批晶圆器件的补偿电阻电路的接入形式和接入阻值大小进行调整，从而实现对工艺随机误差导致的零点漂移偏差的硬件补偿。同时，还能够有效抑制温度漂移现象，从而显著提升传感器批量生产时的一致性和稳定性。

14、具体的，本发明中，惠斯通电桥包括四个相互连接的[110]晶向压敏电阻r1、r2、r3、r4，补偿电阻电路包括四个补偿电阻rs1、rs2、rp1、rp2，在同一批晶圆器件制备过程中，预先在器件中通过金属引线使补偿电阻通过金属引线与压敏电阻对应连接，连接方式如图2所示。通过对同一批晶圆器件中的标志器件进行光刻或激光修调来截断补偿电阻电路与惠斯通电桥的连接，在电源供电的情况下求得rs1、rs2、rp1、rp2的串并联形式和所需电阻值大小。求解的具体方法如下：

15、以恒流源供电为例，测量补偿前器件在温度t1、t0时的桥压vbr1、vbr0和零点输出电压v1、v0；随后，依照下述公式计算补偿电阻的串并联形式和所需电阻值大小。

16、

17、其中，rs为串联电阻阻值，rp为并联电阻阻值，i为供电恒流源大小，δv0＝v1-v0即温度t1、t0之间的零点漂移。若rp>0，则|rp|并于r1或r3上；rp<0，则|rp|并于r2或r4上；若rs>0，则|rs|串于r1或r3上；rs<0，则|rs|串于r2或r4上。

18、图1中，以rp并联于r1，rs串联于r3为示例。其中，串联电阻rs起到调零作用，由于mems压阻式压力传感器输出特性曲线的线性度很高，实现温度t1和温度t0的零点漂移为零的同时也大幅度降低了温度t1和温度t0之间输出的零点漂移，实现了对工艺随机误差导致的零点漂移偏差的片上硬件补偿，有助于提高批量生产时芯片的一致性性能。

19、本发明采用具有高压阻系数的压敏电阻构成敏感薄膜内的惠斯通电桥，其不仅输出温度场引发的温度漂移误差，还会输出热膨胀系数失配引发的热应力误差，通过对不同工作温度下未补偿前器件进行桥压测定，依据测定结果对补偿电阻电路进行光刻或激光修调，其中并联电阻rp起到补偿作用，可以降低热应力误差的影响，起到一定的温漂补偿的作用。若采用多晶硅掺杂材料作为补偿电阻，则由于材料的温度变化趋势与压敏电阻一致，能够更好地实现零点漂移和温度漂移的补偿。

20、综上，本发明仅需对同一批晶圆的单个器件进行测定即可对其余器件进行光刻或激光实现修调，实现批量化的硬件补偿，大幅度降低后端调理电路的复杂性，有利于提高传感器的集成化，具有工艺简单、成本低及易于批量生产的优点。