CN1272604C - 基于soi技术集成多传感器芯片 - Google Patents

Abstract

基于SOI技术集成多传感器芯片，包括硅膜，硅膜与玻璃底座在真空环境下通过静电键合结合，中间形成相对独立的真空环境，硅膜的岛结构下端固定有重锤，硅膜的岛结构上集成有湿度传感器和温度传感器，硅膜上岛结构的四周集成有压力传感器和加速度传感器，加速度传感器包括Y方向加速度测量电路、X方向加速度测量电路和Z方向加速度测量电路。本发明的集成多传感器芯片采用SOI技术，将温度传感器、压力传感器、加速度传感器和湿度传感器集成在一块芯片上，用一块芯片就可得到尽量多的测量参数，而且解决了多传感器各参量之间相互干扰的问题，其体积小、重量轻，尤其在航空航天领域、军事工业领域、汽车领域以及手机行业等特定领域，具有重要的应用前景。

Description

基于SOI技术集成多传感器芯片

技术领域

本发明涉及一种传感器芯片，特别涉及一种基于SOI技术的集温度、压力、湿度和加速度于一体的多传感器集成芯片。

背景技术

目前，随着MEMS研究的不断深入，以及其工艺的不断成熟与完善，国内外已经具有非常成熟的技术方法研究和制作基于MEMS技术的分离器件和传感器，包括压力传感器、加速度计、湿度和温度传感器在内的各独立传感器，具有较好的研究基础和代表性的产品。单个器件作为传感器测量元件时，在一定的应用领域和场合发挥了巨大的作用，然而，在航空航天领域、军事工业领域、汽车领域以及手机行业等一些特定研究应用领域，由于受到体积、重量以及功能的要求，越来越多地关注到在尽可能小的体积、尽量轻的重量上拥有尽量多的测量参数。

发明内容

本发明的目的在于解决传统多传感器的体积过大、重量过重的缺点，提供一种基于SOI技术的集温度、压力、加速度和湿度传感器于一体的MEMS集成多传感器芯片，其具有体积微小、重量轻、抗干扰能力强以及多功能的特点。

本发明所采用的技术方案是，基于SOI技术集成多传感器芯片，包括硅膜，硅膜与玻璃底座在真空环境下通过静电键合结合，中间形成相对独立的真空环境，硅膜的岛结构下端固定有重锤，硅膜的岛结构上集成有湿度传感器和温度传感器，温度传感器的电阻条走向沿100晶向或010晶向，硅膜上岛结构的四周集成有压力传感器和加速度传感器，压力传感器和加速度传感器的压阻电阻条沿110或110晶向，加速度传感器包括Y方向加速度测量电路、X方向加速度测量电路和Z方向加速度测量电路。

本发明较佳的技术方案在于还包括以下特点：

湿度传感器包括SOI单晶硅叉指电极，单晶硅叉指电极上覆盖有薄膜形铝电极，且单晶硅叉指电极与铝电极大小一致，铝电极之间涂覆聚酰亚胺薄膜，薄膜厚度与单晶硅叉指电极厚度一致。

温度传感器为沿100晶向或010晶向的锯齿型电阻条。

压力传感器的测量电路包括电阻Rp1，电阻Rp1与电阻Rp2、电阻Rp3和电阻Rp4组成惠斯登测量电桥。

Y方向加速度测量电路包括电阻Ry1，电阻Ry1与电阻Ry2、电阻Ry3和电阻Ry4组成惠斯登测量电桥。

X方向加速度测量电路包括电阻Rx1，电阻Rx1与电阻Rx2、电阻Rx3和电阻Rx4组成惠斯登测量电桥。

Z方向加速度测量电路包括电阻Rz1，电阻Rz1与电阻Rz2、电阻Rz3和电阻Rz4组成惠斯登测量电桥。

本发明的集成多传感器芯片由于采用了SOI技术，将温度传感器、压力传感器、加速度传感器和湿度传感器集成在一块芯片上，用一块芯片就可得到尽量多的测量参数，而且解决了多传感器各参量之间相互干扰的问题，其体积小、重量轻，尤其在航空航天领域、军事工业领域、汽车领域以及手机行业等特定领域，具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明多传感器芯片的结构示意图；

图2是本发明的硅膜上集成的各传感器示意图；

图3是压力传感器的测量电路图；

图4是Y方向加速度测量电路图；

图5是X方向加速度测量电路图；

图6是Z方向加速度测量电路图；

图7是加速度传感器工作原理图，其中a是重锤在X、Y方向产生力的示意图，b是重锤在Z方向产生力的示意图，c是应力大小与X、Y方向加速度的对应关系图，d是应力大小与Z方向加速度的对应关系图；

图8是温度传感器结构示意图；

图9是湿度传感器结构示意图。

图中，1.硅膜，2.重锤，3.玻璃底座，4.温度传感器，5.X方向加速度测量电路，6.Z方向加速度测量电路，7.温度传感器，8.Y方向加速度测量电路，9.压力传感器，10.单晶硅叉指电极，11.铝电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细说明。

参见图1、图2，本发明的集成多传感器芯片，包括硅膜1，硅膜1与玻璃底座3在真空环境下通过静电键合结合，中间形成相对独立的真空环境，硅膜1的岛结构下端固定有重锤2，硅膜1的岛结构上集成有湿度传感器4和温度传感器7，尽量将湿度传感器4和温度传感器7分开布置，以避免参量之间相互干扰，温度传感器7的电阻条走向沿100晶向或010晶向，且沿100晶向或010晶向的电阻条为锯齿型，硅膜1上岛结构的四周集成有压力传感器9和加速度传感器，压力传感器9和加速度传感器的压阻电阻条沿110或110晶向，加速度传感器包括Y方向加速度测量电路8、X方向加速度测量电路5和Z方向加速度测量电路6。

参见图3，压力传感器9的测量电路包括电阻Rp1，电阻Rp1与电阻Rp2、电阻Rp3和电阻Rp4组成惠斯登测量电桥。由于硅膜1和玻璃底座3之间的真空环境，使得硅膜1的膜片在大气压的作用下发生变形，这种变形导致硅膜1岛结构的压力传感器测量电路9的惠斯登的四个电阻发生变化，大气压不同，引起压力传感器测量电路9的电阻变化率不同，变化信号通过惠斯登电桥输出，从而达到检测大气压的目的。

参见图4，Y方向加速度测量电路8包括电阻Ry1，电阻Ry1与电阻Ry2、电阻Ry3和电阻Ry4组成惠斯登测量电桥。

参见图5，X方向加速度测量电路5包括电阻Rx1，电阻Rx1与电阻Rx2、电阻Rx3和电阻Rx4组成惠斯登测量电桥。

参见图6，Z方向加速度测量电路6包括电阻Rz1，电阻Rz1与电阻Rz2、电阻Rz3和电阻Rz4组成惠斯登测量电桥。

三加速度测量电路工作原理如下：参照图7a、b，由于重锤2质量m的影响，当外界施加或产生的加速度为a时，沿加速度a的方向会产生力F的作用，其中F的大小为：

   F＝ma            (1)

加速度沿X、Y或Z方向时，重锤2上会产生沿X、Y或Z方向产生力F，力F通过硅膜1的岛结构会在硅膜1的应变膜片上产生应力，应力大小正比于加速度大小，硅应变方向如图7c、d所示，根据应变方向的不同，依据压阻效应，Y、X、Z方向加速度组成相对独立的惠斯登测量电路，由于组成惠斯登测量电路的独立和结构次序的变化，在对应的惠斯登测量电路上输出与之对应的加速度信号，由于具有相对独立的测量电路，X、Y、Z方向测量电路具有抗较高的相互干扰的能力。

参见图8，为减少压力传感器和加速度计应力因数对SOI热敏温度传感器的影响，利用沿100或010晶向，其压阻系数几乎为零的特点，温度传感器的电阻条走向沿100和010方向设计成锯齿型结构。从而提高温度传感器对于压力、加速度作用的影响，提高其抗干扰的能力。在一定掺杂浓度下，电阻与温度的关系可表示为：

R(t)＝R0(1+At)          (2)

图9中，湿度传感器4包括SOI单晶硅叉指电极10，单晶硅叉指电极10上覆盖有薄膜形铝电极11，且单晶硅叉指电极10与铝电极11大小一致，铝电极11之间涂覆聚酰亚胺薄膜，薄膜厚度与单晶硅叉指电极10厚度一致，为提高湿度传感器测量灵敏度，湿度传感器单晶硅叉指电极10之间涂覆一层聚酰亚胺薄膜材料，其厚度为SOI单晶硅厚度(约1.5um)，作为湿度传感器电容的介电材料。外界湿度发生变化时，介电材料聚酰亚胺吸收或排出水分，外界湿度大于湿度传感器电容中的湿度时，介电材料聚酰亚胺吸收水分；反之，则排出水分。最终达到湿度平衡。湿度传感器的电容可表示为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵrS}}{d}---\left(3\right)$

其中：d＝叉指状电极之间的距离；

S＝电容电极的面积；

ε₀＝真空介电常数，8.85pF/m；

εr＝聚酰亚胺介电常数。

因此，通过检测湿度传感器在不同湿度下的电容，即可达到检测湿度的目的。

传统体硅压力传感器、加速度计等是PN结隔离，当温度升高到120℃以上时，由于硅的杂质能级向本征能级靠拢，PN结漏电流很大，而使敏感器件无法工作，从而造成稳定性较差。本发明的集成多传感器芯片应用MEMS微加工技术的硅隔离SOI技术，将多个传感器集成，解决了参量之间相互干扰的问题，而且较传统压力传感器、加速度计等具有较高的测量灵敏度和较强的输出。

本发明的集成多传感器芯片所用硅片为100mm、N型100晶向的双面抛光片，电阻率为5～8Ω·cm，为了防止顶部硅层和衬底非晶化，衬底温度控制在650℃时进行氧离子注入，在此温度下注入过程中造成非晶化的损伤会因退火而消除，从而保持顶部单晶硅层。在注入能量为200keV，氧离子注入剂量为1.8×1018cm-2条件下，可以得到上部硅层0.2u下0.3～0.4u的二氧化硅隔离层。在1300℃高温条件下退火6小时，顶部硅全部从氧化物沉淀中脱出，顶部硅层与隐埋氧化层界面呈现出原子级陡峭，并且几乎可以消除注入过程中包括晶格缺陷在内的所有缺陷。为得到较好的SOI材料质量，退火时在添加了0.5～2％氧气的氩气中进行，氧的存在会使硅层上表面生长一层氧化硅，以防止在高温纯氩气中退火时硅表面出现凹坑。用LPCVD方法外延并得到满足压阻效应的单晶硅层厚度(大约1.5～2u)和上层0.1～0.3u的氮化硅应力匹配层和保护层。以SOI膜结构为基础，压力传感器、三自由度加速度计、湿度传感器和温度传感器进行集成。

Claims (7)

1.基于SOI技术集成多传感器芯片，包括硅膜(1)，硅膜(1)与玻璃底座(3)在真空环境下通过静电键合结合，中间形成相对独立的真空环境，硅膜(1)的岛结构下端固定有重锤(2)，其特征在于，所述硅膜(1)的岛结构上集成有湿度传感器(4)和温度传感器(7)，所述温度传感器(7)的电阻条走向沿100晶向或010晶向，硅膜(1)上岛结构的四周集成有压力传感器(9)和加速度传感器，所述压力传感器(9)和加速度传感器的压阻电阻条沿110或110晶向，所述加速度传感器包括Y方向加速度测量电路(8)、X方向加速度测量电路(5)和Z方向加速度测量电路(6)。

2.根据权利要求1所述的多传感器芯片，其特征在于，所述湿度传感器(4)包括SOI单晶硅叉指电极(10)，单晶硅叉指电极(10)上覆盖有薄膜形铝电极(11)，且单晶硅叉指电极(10)与铝电极(11)大小一致，铝电极(11)之间涂覆聚酰亚胺薄膜，薄膜厚度与单晶硅叉指电极(10)厚度一致。

3.根据权利要求1所述的多传感器芯片，其特征在于，所述温度传感器(7)为沿100晶向或010晶向的锯齿型电阻条。

4.根据权利要求1所述的多传感器芯片，其特征在于，所述压力传感器(9)的测量电路包括电阻Rp1，电阻Rp1与电阻Rp2、电阻Rp3和电阻Rp4组成惠斯登测量电桥。

5.根据权利要求1所述的多传感器芯片，其特征在于，所述Y方向加速度测量电路(8)包括电阻Ry1，电阻Ry1与电阻Ry2、电阻Ry3和电阻Ry4组成惠斯登测量电桥。

6.根据权利要求1所述的多传感器芯片，其特征在于，所述X方向加速度测量电路(5)包括电阻Rx1，电阻Rx1与电阻Rx2、电阻Rx3和电阻Rx4组成惠斯登测量电桥。

7.根据权利要求1所述的多传感器芯片，其特征在于，所述Z方向加速度测量电路(6)包括电阻Rz1，电阻Rz1与电阻Rz2、电阻Rz3和电阻Rz4组成惠斯登测量电桥。

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