一种正负压对称的SOI压力敏感芯片设计方法

技术领域

本发明属于压力敏感芯片技术领域，具体涉及一种正负压对称的SOI压力敏感芯片设计方法。

背景技术

制作差压敏感芯片要求正负压对称性好才能满足差压传感器的使用要求。常规压阻式的压力敏感芯片只能满足单方向压力测量，如果在从芯片的两面分别加压，会发现，同样大小的压力输出是不同的，也就是正负压输出不对称，产生不对称的原因主要有是芯片设计带来的问题，即敏感电阻所处位置的正反不对称。现有的SOI压力敏感芯片在设计上主要是采用（100）晶面的硅片，利用各向异性腐蚀的方法制造弹性膜片，无论弹性膜片制作成正方形还是其它形状，高应交区位于在弹性膜片与固支边交接处，高敏感区从弹性膜片边缘延伸至固支边区，为了获取尽可能大的灵敏度，敏感电阻要制作在高应变区位置，由于弹性膜片的固支边只存在弹性膜片的一侧，当敏感芯片受正向压力和负向压力时膜的受力状态不对称，导致了正反方向的应力不完全匹配，从而导致敏感芯片的正负压输出不对称。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供一种芯片结构优化既敏感电阻所处应力区正反匹配设计。压阻式压力传感器的芯片通常采用正方形、长方形、圆形、E型单岛结构、双岛结构和梁膜结构等，这些结构都需要有固支边和敏感膜，而且所有的结构对于弹性膜片的正反面来讲都不是一个完全对称的结构。本发明通过分析弹性膜单侧固支边结构，在膜片正面受到压力后产生的应力分布情况和膜片背面受到同样数值的压力后产生应力分布，找出应力较大、并且正反两面加压后的应力绝对值（互为相反数）相接近的区域，在这些区域按照压阻式压力传感器的设计规则排布四个敏感电阻。只要将压力敏感电阻设计在适当离开敏感膜与固支边交接处及膜的中心处就可以避免芯片单侧固支边结构带来的不对称。

具体技术方案如下：一种正负压对称的SOI压力敏感芯片设计方法，所述方法包括：

针对压力敏感电阻设计敏感膜片的中心和边缘两个不同区域的情况，对敏感膜片进行应力模拟分析；根据发生最大应变力位置确定所述压力敏感电阻的区域，并确定所述压力敏感电阻与所述发生最大应变力位置之间的距离。

作为本发明的一种改进，所述最大应变力位置为腐蚀斜坡的根部位置，当对芯片正面及反面施加同样大小压力时，正面受压和背面受压两个方向的正负应变和位移变化均相等。

作为本发明的一种改进，所述方法包括所述压力敏感电阻的位置在距离所述腐蚀斜坡的根部20μm以上的区域。

作为本发明的一种改进，所述方法包括在单晶硅膜片即敏感膜片上制作四个压力敏感电阻，在单晶硅膜片上，应力区分为正应力区和负应力区，将一对桥臂电阻设置在正应力区，另一对桥臂设置在负应力区。

作为本发明的一种改进，所述方法包括当压力作用在膜片上时，应变电阻的变化与压力成正比，其中，正负压对称性如下式：

其中，V-为P=-100%压力时输出值，V+为P= 100%压力时输出值，VO为P=0压力时输出值，当正向上限输出V+与下限输出V-接近时，对称性值最小,使V+与接近V-，从而使压力敏感芯片的正负压对称。

作为本发明的一种改进，所述方法包括压力敏感芯片通过半导体和微加工工艺在单晶硅上形成一个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，在弹性膜片上采用微电子工艺形成四个应变电阻。

作为本发明的一种改进，所述设计方法包括圆形膜片、正方形膜片和矩形膜片将压力敏感电阻设计在正中心位置的情况。

作为本发明的一种改进，所述方法还包括其中一个方向的最大应变发生在所述腐蚀斜坡的根部位置且深入至斜坡上，其中各向异性腐蚀不是直角，固有一个腐蚀出来的斜坡，且超过敏感膜与固支边交界处20μm以上的区域，则当加同样大小的压力时，正面及背面受压两个方向的正负应变及位移变化均不完全相等，其中固支边是指硅片上没有被腐蚀的部分，起到对敏感膜片固支的作用。

作为本发明的一种改进，所述方法包括进行应力模拟分析时，分析的结果选择大的且离开固支边的应变区。

作为本发明的一种改进，四个所述压力敏感电阻为单晶硅扩散电阻条。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明保证敏感电阻所处于弹性膜片的位置，保证正反面加压产生的应变是对称的，通过应力对称设计和应力匹配工艺，制作出正负压对称的SOI压力敏感芯片，该种压力敏感芯片在测量范围内，当正反两侧分别受到同样量值的压力时，输出保持一致，该种结构的敏感芯片正反方向对压力敏感的对称性很好，正面与背面应力相匹配。

附图说明

图1为本实施例中长方形芯片结构示意图。

图2为本实施例中等效电路图。

图3为本实施例中敏感芯片设计方法流程图。

图4为本实施例中长方形芯片正面加压应变云图一。

图5为本实施例中长方形芯片反面加压应变云图一。

图6为本实施例中长方形芯片正面加压应变云图二。

图7为本实施例中长方形芯片反面加压应变云图二。

附图标识列表：101-边缘区域敏感电阻、102-中心区域敏感电阻、103-长方形敏感膜、104-固支边。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例：如图1和2所示，一种芯片结构优化既敏感电阻所处应力区正反匹配设计。压阻式压力传感器的芯片通常采用正方形、长方形、圆形、E型单岛结构、双岛结构和梁膜结构等，这些结构都需要有固支边和敏感膜，而且所有的结构对于弹性膜片的正反面来讲都不是一个完全对称的结构。本发明通过分析弹性膜单侧固支边结构，在膜片正面受到压力后产生的应力分布情况和膜片背面受到同样数值的压力后产生应力分布，找出应力较大、并且正反两面加压后的应力绝对值（互为相反数）相接近的区域，在这些区域按照压阻式压力传感器的设计规则排布四个敏感电阻。只要将压力敏感电阻设计在适当离开敏感膜与固支边交接处及膜的中心处就可以避免芯片单侧固支边结构带来的不对称。

首先，所述方法包括压力敏感芯片是根据压阻效应原理，利用半导体和微加工工艺在单晶硅上形成一个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，再在弹性膜片上采用微电子工艺形成四个应变电阻，组成一个惠斯通电桥。单晶硅压力传感器一般是在硅膜片上制作四个应变电阻，其等效电路如图2所示，图中电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4为四个单晶硅扩散电阻条，组成惠斯通电桥，在单晶硅膜片上，应力区可分为正应力区和负应力区，在设计时，将桥臂电阻R1和R3设计在正应力区，而另一对桥臂电阻R2和R4设计在负应力区。当压力作用在膜片上时，应变电阻的变化与压力成正比，其中，正负压对称性计算如下式：

其中，V-为P=-100%压力时输出值，V+为P= 100%压力时输出值，VO为P=0压力时输出值，当正向上限输出V+与下限输出V-接近时，对称性值最小,使V+与接近V-，从而使压力敏感芯片的正负压对称。

所述方法包括压力敏感芯片通过半导体和微加工工艺在单晶硅上形成一个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，在弹性膜片上采用微电子工艺形成四个应变电阻。

如图3所示，所述正负压对称的SOI压力敏感芯片设计方法包括：针对矩形膜片压力敏感电阻设计敏感膜片的中心和边缘两个不同区域的情况，中心区域是指敏感膜片中心的部分，边缘区域是指敏感膜片与固支边交界的区域，图4中对边缘区域的应力进行了分析，对敏感膜片进行应力模拟分析；根据发生最大应变力位置确定所述压力敏感电阻的区域，并确定所述压力敏感电阻与所述发生最大应变力位置之间的距离。对于圆形膜片、正方形膜片和矩形膜片将压力敏感电阻设计在正中心的情况，可以直接采用该种方式进行电阻分布。矩形膜片将压力敏感电阻设计敏感膜片的中心和边缘两个不同区域的情况，需要对敏感膜片进行应力模拟分析，通常可以使用ansys 软件进行应力模拟分析，分析的结果应选择尽量大应变区，而且离开固支边，本设计中取与中间应变相反的应变区域应离开敏感膜与固支边交接处20微米以上的位置。

从图4和图5中可以看出，其中一个方向的最大应变发生在腐蚀斜坡的根部附近，但不在斜坡上，而且当加同样大小的压力时，正面受压和背面受压两个方向的正负应变完全相等，位移变化也完全相等，这种应力分布适用于制作正负压对称的压力芯片，但设计时需要将压力敏感电阻设计在距离腐蚀斜坡的根部20微米以上的区域。

从图6和图7中可以看出，其中一个方向的最大应变发生在腐蚀斜坡的根部附近，而且已经深入到斜坡上，超过敏感膜与固支边交接处20微米以上的区域不够放置压力敏感电阻，而且当加同样大小的压力时，正面受压和背面受压两个方向的正负应变并不完全相等，位移变化也不完全相等，因此这种应力分布不适用于制作正负压对称的压力芯片。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。