(17)
由此,取偏导数可得出压力灵敏度ap和电路的温度灵敏度bT:
(18)
(19)
因为∂π44/∂T是负值,所以灵敏度的温度系数是负的,即温度升高时灵敏度下降。
能够用于硅压力传感器加工的制造方法有几种。其中一个方法采用的初始材料是(100)晶面的n型硅衬底。采用硼离子注入制备表面杂质浓度为3×1018cm-3的压电电阻。其中之一(R1)平行于膜的<110>晶向,另一个则垂直。其它外围部件,比如用于温度补偿的电阻和pn结,也在与压电电阻相同的注入工序中制备。这些部件位于围绕膜的厚的边缘区域。因而它们对施加于膜的压力不敏感。
图 19. 摩托罗拉MPX压力传感器的无补偿压阻组件的
基本结构
图19所示的摩托罗拉MPX压力传感器芯片采用了另一种应力感应的方法。构成应力测量的压电电阻在薄硅膜上采用离子注入制备。激发电流纵向通过电阻的1和3引脚,使膜承受应力的压力以与电流路径成直角的方向施加。应力在电阻内形成横向电场,在2和4引脚处感应为电压。这种单组件横向电压应力测量可看成是霍尔效应器件的机械模拟。采用单组件,避免了需要严密匹配构成惠斯登电桥设计的四个应力和温度敏感电阻的麻烦。同时也极大地简化了完成校准和温度补偿所需的附加电路。不过单组件应力测量在电特性上可类比于电桥电路。其平衡(偏移)不取决于电阻的匹配,如常规电桥的情况,而是取决于横向电压引脚对齐的程度。
可用常用的硅蚀刻剂之一制备具有1mm2面积尺寸的薄膜片,例如联氨水溶液(N2H4×H2O)各向异性蚀刻剂。SiO2或Si3N4层作为蚀刻掩膜和晶片底面的保护层。在90℃的回流溶液中其蚀刻速率为1.7μm/min。最终得到的膜片厚度为30μm。
膜片制备的另一种方法基于硅熔融键合(SFB),其中单晶硅片能够在不需要过渡层的情况下以近乎完美的界面可靠键合。这种技术能够用于制造很小的传感器,可用于医学活体检测的导管尖端探测器。其总的芯片面积可以做到常规硅膜片压力传感器的八分之一。这种传感器包括两部分——底部晶片和上部晶片(图20a)。底部约束晶片(衬底)首先经各向异性蚀刻出所需膜片尺寸的方孔。底部晶片的厚度大约0.5mm,膜片的边长为250μm,所以各向异性蚀刻形成的金字塔形凹坑的深度约为175μm。下一步是与由带有n型外延层的p型衬底构成的上部晶片经SFB键合。外延层厚度对应于所需膜片的最终厚度。然后通过受控蚀刻工序去除上部晶片的本体,留下键合的单晶硅层,形成传感器的膜片。下一步经离子注入形成电阻,经蚀刻形成连线。在最后的步骤中,把约束晶片背面经研磨和抛光至器件所需的厚度,约为140μm。尽管SFB芯片的尺寸是常规芯片的大约一半大,但它们的压力灵敏度是完全相同的。常规和SFB技术的比较如图20b所示。在相同膜片尺寸和相同芯片总厚度下,SFB器件要小大约50%。