基于SOI衬底作为热敏电阻的宽温压阻式压力传感器温度补偿方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Temperature Compensation Method for Wide-Temperature-Range Piezoresistive Pressure Sensor Utilizing SOI Substrate as Thermistor

　　

• 提出了一种无源电阻-SOI 衬底热敏电阻网络，用于高温压阻式压力传感器。
• SOI 衬底硅作为高温度系数（TCR）热敏电阻，对压力不敏感，无需额外的制造步骤。
• 串并联电阻消除零点漂移，而衬底热敏电阻完全抵消灵敏度热漂移。
• 从 25 到 80 °C，零点和灵敏度漂移均降低至 0.004%FS/°C（原始值：0.12%FS/°C 和 0.24%FS/°C）。
• MEMS 传感器在补偿温度范围内达到 <0.03%FS 的综合精度。

引言
自 1954 年发现压阻效应 [1] 以来，压阻式压力传感器经历了显著的增长和发展。如今，它们已成为包括石油化工、航空航天、工业控制等广泛行业中的关键组件，发挥着不可替代的作用 [2], [3]。为了提高压阻式压力传感器的精度，必须尽量减少非压力因素的影响。其中，温度是最关键的因素之一 [4]，它不仅会通过热失配改变传感器内部的应力，导致传感器的零点漂移 [5]，还会影响压阻系数，导致灵敏度产生温度诱导漂移 [6]。因此，温度补偿对于传感器至关重要，它可以减少温度波动对输出的影响，从而确保测量的可靠性和精度。

压阻式压力传感器的温度补偿大致可分为两类：软件补偿和硬件补偿。软件补偿方法首先获取受温度和压力共同影响的传感器输出电压信号。随后，使用热敏电阻、二极管或数字温度计获得温度信号。然后将这两个信号输入微处理器（MCU），通过多项式拟合 [7]、支持向量机（SVM）算法 [8] 或机器学习 [9] 技术进行处理。这些过程产生一个独立于温度的压力信号，从而实现对目标压力的精确测量。然而，软件补偿方法在一定程度上增加了传感器的功耗，提高了生产成本，并且由于大多数微芯片对高温不耐受，限制了传感器的温度补偿范围 [10]。

硬件补偿方法使用特定组件，如固定电阻 [11]、热敏电阻 [12] 或冗余结构 [13]，直接被动补偿零点输出、零点温度漂移和灵敏度温度漂移，无需额外的数字补偿电路。

Yao 采用了一种利用固定电阻的硬件补偿方法来实现传感器的温度补偿 [11]。这种方法涉及在惠斯通桥内外将固定电阻串联和并联，以补偿桥路的温度效应。该方法只需少量固定电阻即可实现，简单、方便且成本低廉，能有效补偿零点偏差。然而，这种方法无法完全消除传感器的灵敏度温度漂移，且补偿后的灵敏度损失相对显著。Aryafar 提出了一种基于多晶硅热敏电阻的硬件补偿方法 [12]。在这种方法中，多晶硅热敏电阻直接制造在硅衬底上。热敏电阻表现出负电阻温度系数，其具体值可通过改变掺杂浓度进行调整。由于热敏电阻的温度系数可以自定义设计，灵敏度温度漂移可以得到完全补偿。然而，这种方法需要在芯片上额外制造多个具有特定掺杂浓度的多晶硅电阻，显著增加了工艺复杂性和成本。Tsai 提出了一种基于双惠斯通桥的硬件补偿方法 [13]。该方法在外围硅衬底上制造了另一组惠斯通桥。通过获取内外桥信号之间的差分输出，可以获得一个与温度无关的输出信号，从而实现对传感器的温度补偿。该方法无需额外的信号补偿电路，实施起来相对简单方便。然而，在同一芯片上制造两组惠斯通桥会显著增加芯片尺寸，进而降低生产良率并提高制造成本。此外，压力和温度对惠斯通桥的影响存在一定程度的耦合效应，仅通过差分法难以完全消除温度引起的误差。

与软件补偿方法相比，硬件补偿更简单，补偿成本更低，因此应用更为广泛。尽管如此，传统的硬件补偿方法无法完全补偿传感器的输出温度系数，导致精度降低，并且由于补偿组件的温度限制，仍无法在高温下提供补偿。

在高温下，大多数常见的固定电阻和热敏电阻往往会失效。固定电阻可以放置在远离高温环境的地方，例如线路或测试设备上，以避免热效应。然而，这种方法不适用于热敏电阻，因为它们的主要功能是感知温度变化。

为解决这些限制，本工作采用 SOI 衬底的适度掺杂支撑层作为热敏电阻进行温度补偿。与传统的外部离散热敏电阻相比，它具有四个相应的优势，直接克服了上述缺点。首先，它与敏感元件提供完美的热匹配。由于它与压阻桥共用相同的硅衬底，实现了紧密的热耦合和相同的实时温度，这是高精度被动补偿的基本前提。其次，它具有出色的高温稳定性。作为块状硅芯片的固有部分，它继承了硅本身出色的高温稳定性，在 175°C 及以上保持稳定的电阻 - 温度特性，而不会引入额外的封装或界面失效风险。第三，它与工艺兼容且具有成本效益。它直接重用标准 SOI 晶圆的现有支撑层，无需额外的光刻、掺杂或沉积步骤，也不占用额外的芯片面积，从而保持与标准 MEMS 制造工艺的完全兼容。第四，它实现了灵活的 TCR 调节。通过调整 SOI 支撑层的掺杂浓度，衬底热敏电阻的 TCR 可以在很宽的范围内精确调整，以匹配补偿设计的特定要求。

基于这种衬底热敏电阻，本研究提出了一种利用固定电阻/热敏电阻网络的温度补偿方法。与现有的补偿技术相比，该方法具有三个核心创新点：(1) 采用并联热敏电阻拓扑结构来增加惠斯通桥网络的等效 TCR，突破了传统串联补偿中 TCRB < |TCπ44| 的限制，实现了灵敏度温度漂移的理论完全消除。(2) 补偿网络针对指定的最优温度区间（本工作中为 25~80 °C）进行调整，以在最常用的工业操作范围内实现最大测量精度，同时在 -55~175 °C 的全操作范围内仍提供有效的漂移抑制。(3) 衬底热敏电阻使用现有的 SOI 支撑层，无需额外的制造步骤或增加芯片面积。补偿网络仅需要离散固定电阻，保持与标准 MEMS 制造工艺的完全兼容。

本文介绍的方法作为提高压阻式压力传感器在宽温和高精度场景中工程应用的有效工具。

章节摘要
SOI 衬底热敏电阻的仿真
本研究选择 SOI 衬底层的硅作为补偿热敏电阻。通过调整掺杂浓度，可以将衬底硅的 TCR 调整到所需的值，从而实现有效的补偿性能。此外，硅的优秀高温性能使得在高温下也能有效执行温度补偿。

如图 1(a) 和 1(b) 所示，衬底热敏电阻的端口仍然引出

温度补偿方法
如果惠斯通桥的四个压敏电阻具有相同的电阻值和温度系数，那么在零输入压力下，惠斯通桥的电压输出在任何温度下都将保持为零。然而，在实践中，某些因素不可避免地导致压敏电阻的初始电阻和温度系数发生轻微变化，导致传感器的输出电压不为零，这被称为零点输出。该输出电压还可能随

传感器结构
图 5 显示了传感器的示意图。传感器由两个主要部分组成：一是 SOI 层，包含惠斯通桥和压力敏感膜片等核心结构；二是玻璃盖，包含真空腔和几个通玻璃过孔（TGV）结构。

惠斯通桥包括压敏电阻和导线，由 SOI 器件层内的硅制成。压敏电阻和导线，以及

制造与表征
传感器芯片使用标准 MEMS 工艺在 4 英寸 p 型 <100> SOI 晶圆上制造，如图 6(a) 所示。

起始 SOI 晶圆由 2 μm 厚的掺杂器件层、1 μm 厚的埋氧层（SiO?）和电阻率为 10~20 Ω·cm 的 300 μm 厚支撑层组成。首先通过低压化学气相沉积（LPCVD）在 SOI 晶圆的背面沉积 500 nm 厚的 SiO? 掩膜。然后使用 33 wt% KOH 溶液在 85 °C 下对背面进行图案化和刻蚀至

结论
本文提出了一种基于固定电阻/热敏电阻网络的宽温区压阻式压力传感器温度补偿方法。首先，通过测量不同温度下四个压敏电阻的阻值精确补偿零点漂移。随后，使用 SOI 衬底层的硅作为热敏电阻并与惠斯通桥并联，以增加桥路的 TCR，实现理论上的

CRediT 作者贡献声明
谢波：写作 - 审阅与编辑，形式分析。
陈建：监督。
路玉兰：写作 - 审阅与编辑，形式分析。
孟庆刚：监督。
齐可辉：写作 - 原稿，方法论，调查，概念化。
陈德永：监督。
王军波：监督。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢
本工作部分由中国国家重点研发计划（拨款号 2023YFC2410600）资助，部分由中国国家自然科学基金（拨款号 62301536 和拨款号 62121003）资助，部分由中国科学院青年创新促进会（拨款号 2023134 和拨款号 2022121）资助，部分由中国科学院仪器研制专项（拨款号 PTYQ2024BJ0009）资助。

齐可辉：他于 2022 年在中国科学院大学（北京，中国）获得学士学位。目前，他正在中国科学院空天信息创新研究院（北京，中国）攻读微电子与固体电子学领域的博士学位。他当前的研究兴趣是压阻式压力传感器。

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