CN105258738A - 一种压力/二维磁场单片集成传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力/磁场单片集成传感器，该单片集成传感器包括第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3、第四磁敏二极管MD4、第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃、第四压敏电阻R₄、第一负载电阻R_x1、第二负载电阻R_x2、第三负载电阻R_y3和第四负载电阻R_y4；其中，第一磁敏二极管MD1的正极与第二磁敏二极管MD2的正极构成差分输出，第三磁敏二极管MD3的正极和第四磁敏二极管MD4的正极构成差分输出，两对差分输出实现二维磁场的检测；第一压敏电阻R₁与第四压敏电阻R₄串联，形成第一输出电压V_out1，第二压敏电阻R₂与第三压敏电阻R₃串联，形成第二输出电压V_out2，两个输出电压构成差分输出实现压力的检测。

Description

一种压力/二维磁场单片集成传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力/二维磁场单片集成传感器。

背景技术

随着科学技术的进步，传感器的应用越来越受到重视，但是单一的传感器只能测量一个物理量，而在工业生产、航天航空等领域，为了准确全面地认识对象或环境，以进行进一步控制，往往需要多个物理量，而在一个芯片上集成多种功能敏感元器件的集成传感器能同时测量多个物理量，此种集成传感器具有体积小、重量轻以及集成一体化等优点。

专利号为201310208494.8的发明专利采用集成化的设计技术将温度、湿度、二氧化碳传感器和数字信号处理电路设计成一个模块，温度、湿度、二氧化碳传感器的功能是将外界温度、湿度、二氧化碳信号转换为电信号输出；数字信号处理电路的功能是通过控制原理传感器输出的电信号转换成标准的电压信号输出；因为采用一体式的工艺结构，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，减少了体积，降低了生产成本。

申请号为201210451111.5的发明专利提供了一种温度压力集成传感器，该集成传感器包括温度传感器、绑定电路板、温度传感器安装槽、感压元件、压力座、压力进入口和导线，其特征在于：压力进入口位于压力座的下端，绑定电路板位于压力座的上端，绑定电路板紧贴于压力座的顶面，温度传感器安装在温度传感器安装槽中且紧贴压力座，被测介质的热量通过压力座传导至温度传感器，温度传感器通过导线与绑定电路板相连接进行信号传输。

但是，对于压力/二维磁场的集成化传感器的报道较少，同时，由于传感器基本结构和集成化工艺条件限制，传感器存在灵敏度低、温度漂移大等问题，很难实现芯片的集成化和小型化。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种可以同时检测压力和磁场的压力/二维磁场单片集成传感器。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，该单片集成传感器包括

用来检测二维磁场的X轴方向磁场的第一磁敏二极管MD1和第二磁敏二极管MD2，

用来检测二维磁场的Y轴方向磁场的第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4，

用来检测压力的第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄，

分别与第一磁敏二极管MD1的正极、第二磁敏二极管MD2的正极、第三磁敏二极管MD3的正极、第四磁敏二极管MD4的正极相连的第一负载电阻R_x1、第二负载电阻R_x2、第三负载电阻R_y3和第四负载电阻R_y4，和

高阻SOI衬底，在其上设置第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3、第四磁敏二极管MD4、第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃、第四压敏电阻R₄、第一负载电阻R_x1、第二负载电阻R_x2、第三负载电阻R_y3和第四负载电阻R_y4；

(2)根据上述(1)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，

所述第一磁敏二极管MD1与第二磁敏二极管MD2的磁敏感方向相反，

所述第三磁敏二极管MD3与第四磁敏二极管MD4的磁敏感方向相反；

(3)根据上述(1)或(2)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，

所述第一磁敏二极管MD1和第二磁敏二极管MD2的负极相连形成公共负极，正极形成差分输出，从而实现二维磁场的X轴方向磁场的检测，

所述第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4的负极相连形成公共负极，正极形成差分输出，从而实现二维磁场的Y轴方向磁场的检测；

(4)根据上述(1)或(2)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，所述第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4都为硅磁敏二极管；

(5)根据上述(1)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄构成惠斯通电桥结构；

(6)根据上述(5)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，

所述第一压敏电阻R₁与所述第四压敏电阻R₄串联，形成第一输出电压V_out1，

所述第二压敏电阻R₂与所述第三压敏电阻R₃串联，形成第二输出电压V_out2；

(7)根据上述(5)-(6)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，所述第一输出电压V_out1与所述第二输出电压V_out2构成差分输出，从而实现压力的测量；

(8)根据上述(1)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，在所述高阻SOI衬底下面设置有第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄的硅杯；

(9)根据上述(8)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，所述硅杯采用微电子机械加工系统(MEMS)技术制作；

(10)根据上述(1)所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3、第四磁敏二极管MD4、第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄都采用CMOS工艺和双极型工艺制作。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)该单片集成传感器可以同时对压力和磁场进行检测；

(2)该单片集成传感器在磁场检测时，采用四个平面结构磁敏二极管，分别构成两对差分输出，实现磁灵敏度的提高和温度漂移补偿；

(3)该单片集成传感器的SOI片器件层为n型<100>晶向高阻单晶硅，提高磁传感器的灵敏度并改善压力传感器的温度特性；

(4)该单片集成传感器稳定性好，集成化程度高；

(5)该单片集成传感器体积小，降低了生产成本。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的压力/二维磁场单片集成传感器的结构图；

图2示出根据图1结构图中压力和磁场测试的结构等效电路图；

图3示出图1的A-A剖视图；

图4示出图1的B-B剖视图；

附图标号说明：

MD1-第一磁敏二极管；

MD2-第二磁敏二极管；

MD3-第三磁敏二极管；

MD4-第四磁敏二极管；

R₁-第一压敏电阻；

R₂-第二压敏电阻；

R₃-第三压敏电阻；

R₄-第四压敏电阻；

R_x1-第一负载电阻；

R_x2-第二负载电阻；

R_y3-第三负载电阻；

R_y4-第四负载电阻；

V_outx1-第一正极输出电压；

V_outx2-第二正极输出电压；

V_outy1-第三正极输出电压；

V_outy2-第四正极输出电压；

V_DD-第一连接电源；

V_SS-第二连接电源；

V_out1-第一输出电压；

V_out2-第二输出电压；

1-顶层二氧化硅；

2-器件层；

3-埋氧层；

4-衬底硅；

5-底层二氧化硅；

6-纳米多晶硅薄膜；

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种压力/磁场单片集成传感器，如图1、图2所示，该单片集成传感器包括用于检测二维磁场的第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3、第四磁敏二极管MD4和用于检测压力的第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄。其中，第一磁敏二极管MD1的正极、第二磁敏二极管MD2的正极、第三磁敏二极管MD3的正极和第四磁敏二极管MD4的正极分别连接第一负载电阻R_x1、第二负载电阻R_x2、第三负载电阻R_y3和第四负载电阻R_y4，同时，第一负载电阻R_x1、第二负载电阻R_x2、第三负载电阻R_y3和第四负载电阻R_y4的另一端分别连接第一连接电源V_DD；第一磁敏二极管MD1的负极、第二磁敏二极管MD2的负极、第三磁敏二极管MD3的负极和第四磁敏二极管MD4的负极分别连接第二连接电源V_SS。

在一种优选的实施方式中，所述第一磁敏二极管MD1与第二磁敏二极管MD2的磁敏感方向相反，所述第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4的磁敏感方向相反。

在进一步优选的实施方式中，所述第一磁敏二极管MD1和第二磁敏二极管MD2的负极相连形成公共负极，正极形成差分输出，从而实现二维磁场的X轴方向磁场检测；所述第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4的负极相连形成公共负极，正极形成差分输出，从而实现二维磁场的Y轴方向磁场检测。

在更进一步优选的实施方式中，第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4的正极输出电压分别为第一正极输出电压V_outx1、第二正极输出电压V_outx2、第三正极输出电压V_outy1和第四正极输出电压V_outy2，其中，所述第一正极输出电压V_outx1与所述第二正极输出电压V_outx2的差值实现二维磁场X轴方向磁场的检测；所述第三正极输出电压V_outy1和第四正极输出电压V_outy2的差值实现二维磁场Y轴方向磁场的检测；通过上述两对差分输出实现XY平面二维磁场的检测。

在一种优选的实施方式中，所述第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4都为硅磁敏二极管。

在本发明中，所用的第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3和第四磁敏二极管MD4为长基区硅磁敏二极管。

其中，磁敏二极管的内部结构与普通二极管不同，具有长“基区”P+IN+型二极管结构，它的I(指本征半导体)区长度比载流子扩散长度长得多，所以I区可以称为“基区”；当P+IN+型二极管处于正向偏置时，P+I结、N+I结分别向I型区注入空穴和电子，因此，这种磁敏二极管也叫作双注入长二极管；磁敏二极管采用电子与空穴双注入效应及复合效应原理工作，具有高灵敏度、体积小、响应快、无触点、输出功率大及线性特性好等优点。当将磁敏二极管用于本发明时，由于其体积小，适于集成，能够得到集成的单片传感器，而且所得传感器在检测磁场时灵敏度高；当电源电压5.0V时，X轴方向磁传感器灵敏度480mV/T，Y方向磁传感器灵敏度480mV/T。

在一种优选的实施方式中，第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄构成惠斯通电桥。

在进一步优选的实施方式中，所述第一压敏电阻R₁与所述第四压敏电阻R₄串联，形成第一输出电压V_out1；所述第二压敏电阻R₂与所述第三压敏电阻R₃串联，形成第二输出电压V_out2；其中，第一输出电压V_out1与第二输出电压V_out2的差值实现压力的检测。

在进一步优选的实施方式中，第一压敏电阻R₁与第二压敏电阻R₂相连形成第一连接电源V_DD，第三压敏电阻R₃与第四压敏电阻R₄相连形成第二连接电源V_SS。

在更进一步优选的实施方式中，第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄均为纳米多晶硅薄膜压敏电阻，其采用单晶硅做衬底，首先在衬底上热氧化生长一层二氧化硅膜作为隔离层，然后采用等离子体化学气相沉积系统(PECVD)，原位掺杂制备纳米多晶硅薄膜压敏电阻，当将该种压敏电阻用于本发明时，与二维磁传感器制作工艺兼容，具有优异的压敏特性和温度特性；当电源电压5.0V时，压力传感器灵敏度1.5mV/kPa，灵敏度温度系数-0.18％/℃。

本发明提供的一种压力/磁场单片集成传感器还包括高阻SOI衬底，所述高阻SOI衬底，如图3、图4所示，从上往下依次为顶层二氧化硅1、器件层2、埋氧层3、衬底硅4和底层二氧化硅5，在所述器件层2与上层二氧化硅层1之间含有纳米多晶硅薄膜6，其中，所述器件层为n型<100>晶向高阻单晶硅，以进一步提高磁传感器灵敏度。

在一种优选的实施方式中，采用CMOS工艺、双极型工艺和MEMS技术(微电子机械加工技术)，以器件层2高阻单晶硅的SOI片为衬底。

在进一步优选的实施方式中，在高阻SOI衬底上面制作第一磁敏二极管MD1、第二磁敏二极管MD2、第三磁敏二极管MD3、第四磁敏二极管MD4、第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃、第四压敏电阻R₄、第一负载电阻R_x1、第二负载电阻R_x2、第三负载电阻R_y3和第四负载电阻R_y4；在高阻SOI衬底下表面制作第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃、第四压敏电阻R₄的硅杯，所述硅杯优选为C型；这样，多种敏感元器件设置在同一衬底上实现了传感器的集成化，该种传感器集成度高、体积小。

在更进一步优选的实施方式中，所述高阻SOI衬底的背面采用MEMS(微电子机械加工系统)技术制作硅杯，形成第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄的C型硅杯，所述C型硅杯含有适当厚度的硅膜，在外加压力作用下，硅膜发生弹性形变，压敏电阻阻值改变，第一输出电压V_out1与第二输出电压V_out2发生改变，从而实现压力的检测。

在更进一步优选的实施方式中，所述高阻SOI衬底在使用前需要进行清洗，方法如下：将SOI衬底用浓硫酸煮至冒白烟，冷却后用大量去离子水冲洗，分别采用电子清洗液清洗两次，再用大量去离子水冲洗，后放入甩干机中甩干。

在一种优选的实施方式中，四个磁敏二极管的正极和负极、四个负载电阻和四个压敏电阻在高阻SOI衬底上采用CMOS(互补性金属氧化半导体)工艺和双极型工艺制作。

在进一步优选的实施方式中，四个磁敏二极管、四个负载电阻和四个压敏电阻制作在高阻SOI衬底上包括以下工艺步骤：

步骤一：清洗高阻SOI衬底；

步骤二：一次氧化，采用热氧化法生长厚度约为600nm的二氧化硅；

步骤三：一次光刻，刻蚀出p⁺区窗口；

步骤四：离子注入硼，获得P型掺杂；

步骤五：二次氧化后，进行二次光刻，刻蚀出n⁺区窗口；

步骤六：离子注入磷，获得N型掺杂；

步骤七：三次氧化后，进行三次光刻，刻蚀出扩散电阻窗口；

步骤八：离子注入(硼)，形成P型扩散电阻，采用PECVD沉积原位掺杂纳米多晶硅薄膜，四次光刻形成压敏电阻；

步骤九：四次氧化后，进行五次光刻，刻蚀出引线孔；

步骤十：采用真空蒸发技术在高阻SOI单晶硅衬底正面和背面蒸镀金属铝Al，厚度1um；

步骤十一：六次光刻，刻蚀金属铝Al形成压力/二维磁场单片集成传感器芯片内部连线；

步骤十二：七次光刻，刻蚀出压力传感器C型硅杯窗口；

步骤十三：采用ICP刻蚀SOI单晶硅片背面，实现压力传感器方形硅膜结构；

步骤十四：芯片中测及划片；

步骤十五：芯片封装。

在进一步优选的实施方式中，所述光刻的工艺过程包括涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶。

其中，

所述SOI片是一种绝缘硅片，具体是指将一层硅置于绝缘衬底上；

所述MEMS技术是指微电子机械加工系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，其中，LIGA是指光刻、电铸和注塑；MEMS技术的特点可以归纳为小尺寸、多样化、微电子，通过MEMS技术制备的器件体积小、集成化高；

所述CMOS工艺是指互补性金属氧化半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元，所述CMOS工艺具体指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺，它的特点是低功耗；

所述PECVD是等离子体增强化学气相沉积法，具体是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种化学气相沉积(CVD)称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)；

所述ICP是指感应耦合等离子体，其中，感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术是微机电系统器件加工中的关键技术之一。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，该单片集成传感器包括：

用来检测二维磁场的X轴方向磁场的第一磁敏二极管(MD1)和第二磁敏二极管(MD2)，

用来检测二维磁场的Y轴方向磁场的第三磁敏二极管(MD3)和第四磁敏二极管(MD4)，

用来检测压力的第一压敏电阻(R₁)、第二压敏电阻(R₂)、第三压敏电阻(R₃)和第四压敏电阻(R₄)，

分别与第一磁敏二极管(MD1)的正极、第二磁敏二极管(MD2)的正极、第三磁敏二极管(MD3)的正极和第四磁敏二极管(MD4)的正极相连的第一负载电阻(R_x1)、第二负载电阻(R_x2)、第三负载电阻(R_y3)和第四负载电阻(R_y4)，和

高阻SOI衬底，在其上设置第一磁敏二极管(MD1)、第二磁敏二极管(MD2)、第三磁敏二极管(MD3)、第四磁敏二极管(MD4)、第一压敏电阻(R₁)、第二压敏电阻(R₂)、第三压敏电阻(R₃)、第四压敏电阻(R₄)、第一负载电阻(R_x1)、第二负载电阻(R_x2)、第三负载电阻(R_y3)和第四负载电阻(R_y4)。

2.根据权利要求1所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，

所述第一磁敏二极管(MD1)与第二磁敏二极管(MD2)的磁敏感方向相反；

所述第三磁敏二极管(MD3)与第四磁敏二极管(MD4)的磁敏感方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，

所述第一磁敏二极管(MD1)和第二磁敏二极管(MD2)的负极相连形成公共负极，正极形成差分输出，从而实现二维磁场的X轴方向磁场的检测；

所述第三磁敏二极管(MD3)和第四磁敏二极管(MD4)的负极相连形成公共负极，正极形成差分输出，从而实现二维磁场的Y轴方向磁场的检测。

4.根据权利要求1或2所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，所述第一磁敏二极管(MD1)、第二磁敏二极管(MD2)、第三磁敏二极管(MD3)和第四磁敏二极管(MD4)都为硅磁敏二极管。

5.根据权利要求1所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，第一压敏电阻(R₁)、第二压敏电阻(R₂)、第三压敏电阻(R₃)和第四压敏电阻(R₄)构成惠斯通电桥结构。

6.根据权利要求5所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，

所述第一压敏电阻(R₁)与所述第四压敏电阻(R₄)串联，形成第一输出电压(V_out1)；

所述第二压敏电阻(R₂)与所述第三压敏电阻(R₃)串联，形成第二输出电压(V_out2)。

7.根据权利要求5-6所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，所述第一输出电压(V_out1)与所述第二输出电压(V_out2)构成差分输出，从而实现压力的测量。

8.根据权利要求1所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，在所述高阻SOI衬底下面设置有第一压敏电阻(R₁)、第二压敏电阻(R₂)、第三压敏电阻(R₃)和第四压敏电阻(R₄)的硅杯。

9.根据权利要求8所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，所述硅杯采用微电子加工系统技术制作。

10.根据权利要求1所述的一种压力/二维磁场单片集成传感器，其特征在于，第一磁敏二极管(MD1)、第二磁敏二极管(MD2)、第三磁敏二极管(MD3)、第四磁敏二极管(MD4)、第一压敏电阻(R₁)、第二压敏电阻(R₂)、第三压敏电阻(R₃)和第四压敏电阻(R₄)都采用CMOS工艺和双极型工艺制作。