CN116222838B - 感测元件及压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感测元件及压力传感器，其中感测元件包括第一衬底，第二衬底，覆盖于第一衬底；第二衬底内设有至少一个压敏电阻区，压敏电阻区靠近第二衬底的上表面，压敏电阻区具有压敏电阻连接区，压敏电阻连接区电接触接触区；至少一个保护层，覆盖于第二衬底的上表面；至少一个保护环，设于第二衬底内，且压敏电阻区和压敏电阻连接区位于保护环内侧；屏蔽层，设置在保护层的表面或者设置在保护层和压敏电阻区之间；其中，第一衬底、保护环和屏蔽层中的至少一个通过接触区和外电路连接。本发明规避衬底产生的游离电荷对压阻区域的影响，提高压力传感器的精度和长期稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是指一种感测元件及压力传感器。
背景技术
压力传感器是一种将压强转换成电信号的传感器，在国内通常以压力传感器为代称，按照技术路线可分为压阻式、电容式、谐振式、压电式等。其中，压阻式压力传感器因为其制作工艺相对容易且成熟、量程覆盖面广、成本低等优势成为了商业化程度最高、应用最广泛的压力传感器。
在工业、军工等领域中压力传感器的长期稳定性的至关重要。作为压阻式压力传感器，较易受到外界电荷或电场的影响从而出现输出漂移、输出浮动等现象。其中，特别是压阻区域的上方，因为受到离子污染、固定电荷、外界电荷、辐射等因素的影响，容易形成一定的电荷积累。为了更清晰的说明原理，如图1所示，为简易的压阻式压力传感器截面图。当压敏电阻区域4及压阻连接区域5的上方保护层6产生了正电荷积累，负电荷会被吸引到上方从而形成一层负电荷积累或称为反型层。此时压阻区域的厚度较无电荷积累时变薄，从而压阻区域的电阻值发生变化，最终影响输出结果造成长期稳定性漂移。同时压阻区域的下方，即衬底，因为类似的原因同样也会形成游离电荷，造成长期稳定性问题。
众多学者及公司对上述问题展开了研究并贡献了诸多解决方案。学术上P. L. P.Hoa等人在文章“Influence of polycrystalline silicon as electrical shield onreliability and stability of piezoresistive sensors,”中开创性地将多晶硅置于压阻区域上方，通过固定上方的电位减少外界电荷对压阻的影响。国内外公司撰写的大量的专利也有类似的解决方法，如CN110608819A、EP3832279A1、CN216410458U、US5231301A、US9790085B1。其中有采用金属、N+掺杂代替多晶硅的方案、有同时在压阻区和压阻引线区周围围绕一圈屏蔽环的方案。
但是，上述技术方案中未能很好地解决衬底，特别是压阻区域正下方游离电荷对压阻区域的影响。有些专利例如CN110608819A将衬底与屏蔽层/高电位连接以“吸附”衬底的游离电荷，但是这些连接点往往离压阻区域较远且因为衬底的高阻特性，高电势对压阻区域下方的游离电荷吸引能力不足，仍然有部分游离电荷可以对压阻区域造成影响，影响压力传感器的精确度。同时外部磁场可以通过底部未屏蔽的部分影响衬底、压阻区域和压阻连接区域的电荷，对压阻区域造成影响，也会影响压力传感器的精确度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种感测元件及压力传感器。
本发明所采用的技术方案如下：
一种感测元件，包括：
第一衬底，在其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
第二衬底，覆盖于所述第一衬底的第一表面；在所述第二衬底的厚度方向具有相对的第一表面和第二表面，其中所述第二衬底的第二表面与所述第一衬底的第一表面接触；所述第二衬底内设有至少一个压敏电阻区，所述压敏电阻区靠近所述第二衬底的第一表面，所述压敏电阻区具有压敏电阻连接区，所述压敏电阻连接区电接触接触区；
至少一个保护层，覆盖于所述第二衬底的第一表面；
至少一个保护环，设于所述第二衬底内，且所述压敏电阻区和所述压敏电阻连接区位于所述保护环内侧；
屏蔽层，设置在所述保护层的表面或者设置在所述保护层和所述压敏电阻区之间；
其中，所述第一衬底、所述保护环和所述屏蔽层中的至少一个通过所述接触区和外电路连接。
在一些实施例中，所述第二衬底的掺杂浓度小于所述第一衬底的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述屏蔽层设置在所述保护层的表面，所述屏蔽层的材质为具有掺杂物质的掺杂多晶硅层、铝层、硅铬合金层、铂层、钛层和镍层中的一种。
在一些实施例中，所述屏蔽层设置在所述保护层和所述压敏电阻区之间，所述屏蔽层为具有掺杂物质的掺杂层。
在一些实施例中，所述掺杂物质为硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
在一些实施例中，所述接触区具有导电互连区域，所述导电互连区域用于通过所述接触区对所述压敏电阻区进行电偏置。
在一些实施例中，所述第一衬底的导电类型和所述压敏电阻区的导电类型相反。
在一些实施例中，所述保护层为单层，所述保护层为SiO2层。
在一些实施例中，所述保护层为多层，所述保护层包括至少一层SiO2层和至少一层SiN层。
在一些实施例中，所述第一衬底的第二表面开设中空区域。
一种压力传感器，包括信号处理单元和至少一个如上述所述的感测元件，所述信号处理单元将所述感测元件的压力信号转换成输出的电信号。
在一些实施例中，所述感测元件有多个，多个所述感测元件通过传感器调节电路耦合。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的感测元件通过设于压敏电阻区和衬底的第二表面之间的第一保护环在用来固定压敏电阻区下方的电位，并和位于保护层和第一保护环之间的第二保护环共同作用，在压敏电阻区的周围的屏蔽层固定电位从而降低外界及衬底产生的游离电荷对压敏电阻区的影响。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有的简易感测元件的截面图。
图2是本发明中感测元件的实施例一的示意图。
图3是本发明中感测元件的实施例二的示意图。
图4是本发明中感测元件的实施例三的示意图。
图5是本发明中感测元件的实施例四的示意图。
图6是本发明中感测元件的实施例五的示意图。
图7是本发明中感测元件的实施例六的示意图。
图8是本发明中感测元件的实施例七的示意图。
图9是本发明中感测元件的实施例八的示意图。
图10是本发明中感测元件的实施例九的示意图。
图11是本发明中感测元件的实施例十的示意图。
图12是本发明中感测元件的实施例十一的示意图。
图13是本发明中感测元件的实施例十二的示意图。
图14是本发明中感测元件的实施例十三的示意图。
图15是本发明中感测元件的实施例十四的示意图。
图16是本发明中感测元件的实施例十五的示意图。
图17是本发明的感测元件与无屏蔽层的感测元件和带屏蔽层和第二保护环的感测元件在不同的外电场下压阻区域的阻值变化图。
说明书附图标记说明：1、第一衬底；2、第二衬底；3、保护环；4、压敏电阻区；5、压敏电阻连接区；6、第一保护层；7、第二保护层；8、导电互连区域；801、接触区；9、屏蔽层；10、中空区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。
实施例1：
如图2所示，一种感测元件，包括：
第一衬底1，在其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
第二衬底2，覆盖于第一衬底1的第一表面；在第二衬底2的厚度方向具有相对的第一表面和第二表面，其中第二衬底2的第二表面与第一衬底1的第一表面接触；第二衬底2内设有至少一个压敏电阻区4，压敏电阻区4靠近第二衬底2的第一表面，压敏电阻区4具有压敏电阻连接区5，压敏电阻连接区5电接触至少两个接触区801；
至少一个保护层，覆盖于第二衬底2的第一表面；
至少一个保护环3，设于第二衬底2内，且压敏电阻区4和压敏电阻连接区5位于保护环3内侧；
屏蔽层9，设置在保护层的表面或者设置在保护层和压敏电阻区4之间；
其中，第一衬底1、保护环3和屏蔽层9中的至少一个通过接触区801和外电路连接。可以理解为，第二衬底2和保护环3以及屏蔽层9对压敏电阻区4及压敏电阻连接区5形成包围。
在本实施例中，第二衬底2的掺杂浓度小于第一衬底1的掺杂浓度。具体地，第一衬底1的掺杂浓度大于5×1018/cm3，因此具有高导电性，可以起到固定电位的作用；第二衬底2的掺杂浓度小于1×1019/cm3，则可以看出，第二衬底2的掺杂浓度小于第一衬底1的掺杂浓度。
在本实施例中，第二衬底2的制作工艺如下：首先在第一衬底1上外延一层低掺杂的第二衬底2，第二衬底2的掺杂浓度小于1×1019/cm3。
在本实施例中，屏蔽层9的材质为具有掺杂物质的掺杂多晶硅层。具体地，上述掺杂物质为硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
在本实施例中，每个接触区801具有导电互连区域8，导电互连区域8用于通过接触区801对压敏电阻区4进行电偏置。
在本实施例中，衬底1的导电类型和压敏电阻区4的导电类型相反。具体地，衬底1的导电类型为p型并且压敏电阻区4的导电类型可以是n型，或者，衬底1的导电类型可以是n型并且压敏电阻区4的导电类型可以是p型。
在本实施例中，保护层有两层，为便于描述，分别定义为第一保护层6和第二保护层7，其中第一保护层6为SiO2层，第二保护层7为SiN层。需要说明的是，保护层也可只有一层SiO2层，只要保护层具备一定的绝缘性即可。
在本实施例中，衬底1的第二表面开设中空区域10，中空区域10可以是通过衬底1的第二表面开设的凹槽或缺口形成。
实施例2：
如图3所示，和实施例1的不同之处在于，第一衬底1和保护环3均通过接触区801和外电路连接。
实施例3：
如图4所示，和实施例1的不同之处在于，第一衬底1不与保护环3和屏蔽层9连接，且不通过接触区801和外电路连接，该情况下，由于第二衬底2和保护环3以及屏蔽层9对压敏电阻区4及压敏电阻连接区5形成一包围圈，虽然不连接保护环3、屏蔽层9以及外电路，但包围圈能依旧对游离的电荷具有一定的吸收能力。
实施例4：
如图5所示，和实施例1的不同之处在于，第一衬底1通过接触区801仅和外电路连接。
实施例5：
如图6所示，和实施例1的不同之处在于，第一衬底1和屏蔽层9连接，并通过接触区801和外电路连接。
实施例1-实施例5的感测元件的制作方法如下：
S1、在第一衬底1上外延一层第二衬底2，其中，第一衬底1的掺杂浓度大于5×1018/cm3，第二衬底2的掺杂浓度小于1×1019/cm3。
S2、通过多次光刻及注入或掺杂工艺形成压敏电阻区4、压敏电阻连接区5和保护环3。其中，保护环3的掺杂物质可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种，并且，压敏电阻区4的掺杂物质和压敏电阻连接区5的掺杂物质相同，掺杂物质可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
S3、通过热氧或LPCVD（低压气相沉积）或PECVD（等离子增强气相沉积）等方法形成一层30nm-1500nm的第一保护层6即SiO2层。
通过LPCVD/PECVD等方法形成一层30nm-3000nm的第二保护层7即SiN层，由于保护层可以仅有一层SiO2层，因此步骤并非必须。
S4、通过LPCVD或PECVD等方法形成一层100nm-1500nm的多晶硅层并通过光刻刻蚀去除，形成屏蔽层9；
S5、通过光刻刻蚀将导电互连区域8暴露出来。
S6、光刻并溅射或蒸发一层100nm-1500nm的铝层或硅铬合金层或铂层或钛层或镍层或掺杂多晶硅层并剥离，形成接触区801或者，溅射或蒸发一层100nm-1500nm的铝层或硅铬合金层或铂层或钛层或镍层或掺杂多晶硅层并通过光刻刻蚀去除，形成接触区801。
S7、在第一衬底1的第二表面光刻刻蚀出窗口并通过腐蚀或深硅刻蚀刻出中空区域10。
实施例6：
如图7所示，和实施例1的不同之处在于：屏蔽层9，设置在保护层和压敏电阻区4之间；具体地，屏蔽层9是通过光刻及注入或掺杂工艺形成与压敏电阻区4中掺杂物质不同的掺杂层，可见与实施例1-实施例5中的屏蔽层9的成型方式不同，因此屏蔽层9的位置也不同。
其中，第一衬底1、保护环3和屏蔽层9相连，并通过接触区801和外电路连接。
实施例7：
如图8所示，和实施例6的不同之处在于，第一衬底1和保护环3均通过接触区801和外电路连接。
实施例8：
如图9所示，和实施例6的不同之处在于，第一衬底1不与保护环3和屏蔽层9连接，且不通过接触区801和外电路连接，该情况下，由于第二衬底2和保护环3以及屏蔽层9对压敏电阻区4及压敏电阻连接区5形成一包围圈，虽然不连接保护环3、屏蔽层9以及外电路，但包围圈能依旧对游离的电荷具有一定的吸收能力。
实施例9：
如图10所示，和实施例6的不同之处在于，第一衬底1通过接触区801仅和外电路连接。
实施例10：
如图11所示，和实施例6的不同之处在于，第一衬底1和屏蔽层9连接，并通过接触区801和外电路连接。
实施例6-实施例10的感测元件的制作方法如下：
S1、在第一衬底1上外延一层第二衬底2，其中，第一衬底1的掺杂浓度大于5×1018/cm3，第二衬底2的掺杂浓度小于1×1019/cm3。
S2、通过多次光刻及注入或掺杂工艺形成压敏电阻区4、压敏电阻连接区5和保护环3。其中，保护环3的掺杂物质可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种；压敏电阻区4的掺杂物质和压敏电阻连接区5的掺杂物质相同，可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
S3、通过光刻及注入或掺杂工艺形成与压阻区域不同的掺杂层即屏蔽层9，掺杂物质可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
S4、通过热氧或LPCVD（低压气相沉积）或PECVD（等离子增强气相沉积）等方法形成一层30nm-1500nm的第一保护层6即SiO2保护层。
通过LPCVD/PECVD等方法形成一层30nm-3000nm的第二保护层7即SiN保护层，由于保护层可仅有一层SiO2保护层，因此步骤并非必须。
S5、通过光刻刻蚀将导电互连区域8暴露出来。
S6、光刻并溅射或蒸发一层100nm-1500nm的铝层或硅铬合金层或铂层或钛层或镍层或掺杂多晶硅层并剥离，形成接触区801，或者，溅射或蒸发一层100nm-1500nm的铝层或硅铬合金层或铂层或钛层或镍层或掺杂多晶硅层并通过光刻刻蚀去除，形成接触区801。
S7、在第一衬底1的第二表面光刻刻蚀出窗口并通过腐蚀或深硅刻蚀刻出中空区域10。
实施例11：
如图12所示，和实施例1的不同之处在于，屏蔽层9为铝层。
其中，第一衬底1、保护环3和屏蔽层9同时连接，并通过接触区801和外电路连接。
实施例12：
如图13所示，实施例11的不同之处在于，第一衬底1和保护环3连接，并通过接触区801和外电路连接。
实施例13：
如图14所示，和实施例11的不同之处在于，第一衬底1不与保护环3和屏蔽层9连接，且不通过接触区801和外电路连接，该情况下，由于第二衬底2和保护环3以及屏蔽层9对压敏电阻区4及压敏电阻连接区5形成一包围圈，虽然不连接保护环3、屏蔽层9以及外电路，但包围圈能依旧对游离的电荷具有一定的吸收能力。
实施例14：
如图15所示，和实施例11的不同之处在于，第一衬底1通过接触区801仅和外电路连接。
实施例15：
如图16所示，和实施例11的不同之处在于，第一衬底1和屏蔽层9连接，并通过接触区801和外电路连接。
实施例11-实施例15的感测元件的制作方法如下：
S1、在第一衬底1上外延一层第二衬底2，其中，第一衬底1的掺杂浓度大于5×1018/cm3，第二衬底2的掺杂浓度小于1×1019/cm3。
S2、通过多次光刻及注入或掺杂工艺形成压敏电阻区4、压敏电阻连接区5和保护环3。其中，保护环3的掺杂物质可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种；压敏电阻区4的掺杂物质和压敏电阻连接区5的掺杂物质相同，可以是硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
S3、通过热氧或LPCVD（低压气相沉积）或PECVD（等离子增强气相沉积）等方法形成一层30nm-1500nm的第一保护层6即SiO2保护层。
通过LPCVD或PECVD等方法形成一层30nm-3000nm的第二保护层7即SiN保护层，由于保护层可以仅有一层SiO2层，因此步骤并非必须。
S4、通过光刻刻蚀将导电互连区域8暴露出来。
S5、光刻并溅射或蒸发一层100nm-1500nm的铝层或硅铬合金层或铂层或钛层或镍层或掺杂多晶硅层并剥离，同时形成接触区801和屏蔽层9，或者，溅射或蒸发一层100nm-1500nm的铝层或硅铬合金层或铂层或钛层或镍层或掺杂多晶硅层并通过光刻刻蚀去除，同时形成接触区801和屏蔽层9。
S6、在衬底1的第二表面光刻刻蚀出窗口并通过腐蚀或深硅刻蚀刻出中空区域10。
综上：
实施例1-实施例5之间的区别在于：第一衬底1与外电路的连接方式。
实施例6-实施例10之间的区别在于：第一衬底1与外电路的连接方式。实施例6-实施例10与其他实施例相比，其优势在于在中空区域10上方的薄膜区域产生的残余应力较小，且因为薄膜区域相对较薄，压力在薄膜产生的应力较大，灵敏度相应较大。
实施例11-实施例15之间的区别在于：第一衬底1与外电路的连接方式。实施例11-实施例15与其他实施例相比，其优势在于屏蔽层9和接触区801为一体成型，制作方法的步骤较少，成本较低。
在另外一些实施例中，一种压力传感器，包括信号处理单元和至少一个如实施例1-实施例15任意一个实施例所提供的感测元件，信号处理单元将感测元件的压力信号转换成输出的电信号。当然，感测元件可以有多个，多个感测元件通过传感器调节电路耦合。
由于试验过程存在不确定性，且试验一次成本较高，因此通过工艺仿真将本发明所提供的感测元件与无屏蔽层的感测元件、带屏蔽层和第二保护环的感测元件在不同的外电场下压阻区域的阻值进行比较，如图17所示，可以看出，无屏蔽层的感测元件的阻值变化最大；使用带屏蔽层和第二保护环的感测元件即背景技术中公开文献提供现有的传感器的阻值变化相对平缓，说明屏蔽层的存在有效地降低了电场对压敏电阻阻值的影响；本发明所提供的感测元件的阻值变化率进一步下降，说明进一步降低游离电荷对压敏电阻阻值的影响。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种感测元件，其特征在于：包括：
第一衬底（1），在其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
第二衬底（2），覆盖于所述第一衬底（1）的第一表面；在所述第二衬底（2）的厚度方向具有相对的第一表面和第二表面，其中所述第二衬底（2）的第二表面与所述第一衬底（1）的第一表面接触；所述第二衬底（2）内设有至少一个压敏电阻区（4），所述压敏电阻区（4）靠近所述第二衬底（2）的第一表面，所述压敏电阻区（4）具有压敏电阻连接区（5），所述压敏电阻连接区（5）电接触接触区（801）；
至少一个保护层，覆盖于所述第二衬底（2）的第一表面；
至少一个保护环（3），设于所述第二衬底（2）内，且所述压敏电阻区（4）和所述压敏电阻连接区（5）位于所述保护环（3）内侧；
屏蔽层（9），设置在所述保护层的表面或者设置在所述保护层和所述压敏电阻区（4）之间；当所述屏蔽层（9）设置在所述保护层的表面时，所述屏蔽层（9）的材质为具有掺杂物质的掺杂多晶硅层、铝层、硅铬合金层、铂层、钛层和镍层中的一种；当所述屏蔽层（9）设置在所述保护层和所述压敏电阻区（4）之间时，所述屏蔽层（9）为具有掺杂物质的掺杂层；
其中，所述第一衬底（1）、所述保护环（3）和所述屏蔽层（9）中的至少一个通过所述接触区（801）和外电路连接。
2.根据权利要求1所述的感测元件，其特征在于：所述第二衬底（2）的掺杂浓度小于所述第一衬底（1）的掺杂浓度。
3.根据权利要求1任意一项所述的感测元件，其特征在于：所述掺杂物质为硼、铟、砷、磷和锑中的一种。
4.根据权利要求1所述的感测元件，其特征在于：所述接触区（801）具有导电互连区域（8），所述导电互连区域（8）用于通过所述接触区（801）对所述压敏电阻区（4）进行电偏置。
5.根据权利要求1所述感测元件，其特征在于：所述第一衬底（1）的导电类型和所述压敏电阻区（4）的导电类型相反。
6.根据权利要求1所述的感测元件，其特征在于：所述保护层为单层，所述保护层为SiO2层。
7.根据权利要求1所述的感测元件，其特征在于：所述保护层为多层，所述保护层包括至少一层SiO2层和至少一层SiN层。
8.根据权利要求1所述的感测元件，其特征在于：所述第一衬底（1）的第二表面开设中空区域（10）。
9.一种压力传感器，其特征在于：包括信号处理单元和至少一个如权利要求1-8任意一项所述的感测元件，所述信号处理单元将所述感测元件的压力信号转换成输出的电信号。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于：所述感测元件有多个，多个所述感测元件通过传感器调节电路耦合。
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