CN1715838A - 一种多传感器集成芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SOI技术多传感器集成芯片，包括硅悬臂梁，硅膜，硅膜周边的支撑硅基，外围的硅质量块和玻璃基底。硅膜，硅膜周边的支撑硅基与玻璃底座结合，在芯片中间形成相对独立的真空环境作为压力传感器；单端固定的硅悬臂梁结构与外围的硅质量块连接，形成三维加速度传感器(X，Y，Z方向加速度)；外围的质量块结构上集成有湿度传感器和温度传感器。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，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

一种多传感器集成芯片

                        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。

实现上述目的的技术解决方案是，该芯片利用SOI技术的硅片制作，包.括：硅膜，硅膜周边的支撑硅基，硅悬臂梁，外围的硅质量块和玻璃基底；硅膜，硅膜周边的支撑硅基与玻璃底座通过阳极键合，在玻璃基底和硅膜中间形成相对独立的真空腔作为压力敏感结构，然后通过硅膜上压力测量电路将压力信号转变为电阻变化形成压力传感器；支撑硅基外围单端固定的硅悬臂梁与外围的硅质量块连接，形成三维加速度敏感结构，通过硅悬臂梁上设置的X，Y，Z方向加速度测量电路将加速度信号转变为电阻变化，形成X，Y，Z方向加速度传感器；外围的质量块上还集成有湿度传感器和温度传感器。

其中压力和加速度传感器都是使用多对扩散电阻作为敏感元件来构成惠斯登测量电桥电路测量外部压力与加速度。在100晶面的硅片上，压力传感器和加速度传感器的扩散电阻条沿110或110晶向分布。压力传感器需要4个扩散电阻构成惠斯登测量电桥(如图4)。三维加速度传感器则需要12个扩散电阻分别构成三个惠斯登测量电桥测量X，Y，Z方向的加速度(如图5，6，7)。温度传感器也采用扩散电阻作为敏感元件(如图8)。温度传感器的扩散电阻设计于外围的硅质量块上，同时温度传感器的扩散电阻条沿100晶向或010晶向分布，以避免外部加速度与压力的影响。湿度传感器也位于外围的硅质量块上，采用叉指状铝电极(15)与其上涂覆的湿敏材料(聚酰亚胺)(16)构成。

本发明的多传感器集成芯片由于采用了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，尤其在一些特定领域，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是本发明的芯片上集成的各传感器电路示意图；

图3本发明多传感器芯片的仰视图；

图4是压力传感器的测量电路图；

图5是X方向加速度测量电路图；

图6是Y方向加速度测量电路图；

图7是Z方向加速度测量电路图；

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。

上述图中的标号分别是：1.压力传感器的硅膜，2.硅膜周边的支撑硅基，3.加速度传感器的硅悬臂梁，4.硅质量块，5.玻璃底座，6.压力传感器的真空腔，7.温度传感器，8.X方向加速度测量电路，9.Y方向加速度测量电路，10.Z方向加速度测量电路，11.压力传感器测量电路，12.湿度传感器，13.SOI硅片的硅基底，14.SOI硅片的SiO₂层，15.叉指状铝电极，16.湿敏材料。

                        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3，本发明的多传感器集成芯片，该芯片利用SOI技术的硅片制作，包括硅膜1，硅膜周边的支撑硅基2，硅悬臂梁3，外围的硅质量块4和玻璃基底5。硅膜及其周边的支撑硅基与玻璃底座通过阳极键合，形成相对独立的真空腔6作为绝对压力传感器的参考压力，通过外界气压与真空腔之间的压力差作用于硅膜产生变形来测量外界压力。同时在压力传感器的支撑硅基2的外围，4个硅悬臂梁3分别被单端固定，外围的硅质量块作为硅悬臂梁的加速度敏感质量块。当外界的加速度改变时，质量块敏感加速度使硅悬臂梁变形来测量外界加速度。温度传感器7与湿度传感器12分别位于外围的硅质量块的两侧。温度传感器使用扩散电阻的温度效应测量温度的变化。湿度传感器利用湿敏材料16吸水后介电常数的变化测量湿度的变化。在100晶面的硅片上，扩散电阻沿110或1 10晶向分布时，压阻系数为最大值，沿100或010晶向分布时，压阻系数为最小值。压力与加速度传感器的扩散电阻沿110或1 10晶向分布以获得最大的压阻效应。温度传感器则为了避免应力的影响而选择沿100或010晶向分布的扩散电阻。

参见图4，压力传感器的测量电路11包括电阻R_p1、电阻R_p2、电阻R_p3和电阻R_p4组成惠斯登测量电桥。由于硅膜和玻璃底座之间的真空环境，使得压力传感器的硅膜在外部气压的作用下发生变形，这种变形导致分布在硅膜结构边缘的惠斯登测量电路的四个电阻发生变化，气压不同，引起压力传感器测量电路电阻变化不同，变化信号通过采用恒流源或恒压源供电的惠斯登电桥转化为输出电压，从而达到检测气压的目的。

三维加速度传感器通过如图5，6，7的惠斯登测量电桥8、9、10将X，Y，Z方向的加速度转化为输出的电信号。当外界产生加速度时，外围的硅质量块将沿加速度方向产生惯性力，质量块的惯性力将导致相应的悬臂梁产生变形。悬臂梁的变形通过测量电桥转换为输出的电信号。图5，6，7中的电桥的连接方法可以避免X，Y，Z方向加速度输出信号的相互的干扰。

参见图8，为减少压力和加速度应力对温度传感器7的影响，温度传感器设计在外围的硅质量块上，同时利用沿100或010晶向的扩散电阻压阻系数最小的特点，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。在一定掺杂浓度下，利用扩散电阻的温度系数测量外界的温度。

图9中，湿度传感器12采用电容结构，利用硅片上制备的叉指状铝电极15和其上涂覆的湿敏材料16(聚酰亚胺)组成。为提高湿度传感器测量灵敏度，在湿度传感器的叉指状铝电极之间涂覆一层湿敏(聚酰亚胺)薄膜材料，其厚度为单晶硅厚度(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：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}{d}---\left(1\right)$

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；

ε_r＝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输出，即可达到检测湿度的目的。

传统的硅压力传感器、加速度传感器的扩散电阻用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硅片为基础，压力传感器、三自由度加速度传感器、湿度传感器和温度传感器进行集成。

Claims (8)

1.一种多传感器的集成芯片，其特征在于，该芯片利用SOI技术的硅片制作，包括：硅膜(1)，硅膜周边的支撑硅基(2)，硅悬臂梁(3)，外围的硅质量块(4)和玻璃基底(5)；硅膜，硅膜周边的支撑硅基与玻璃底座通过阳极键合，在玻璃基底(5)和硅膜(1)中间形成相对独立的真空腔(6)作为压力敏感结构，然后通过硅膜上压力测量电路(11)将压力信号转变为电阻变化形成压力传感器；支撑硅基(2)外围单端固定的硅悬臂梁(3)与外围的硅质量块(4)连接，形成三维加速度敏感结构，通过硅悬臂梁(3)上设置的X，Y，Z方向加速度测量电路(8)、(9)、(10)将加速度信号转变为电阻变化，形成X，Y，Z方向加速度传感器；外围的质量块(4)上还集成有湿度传感器(12)和温度传感器(7)。

2.如权利要求1所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述湿度传感器由叉指状铝电容和其上涂覆的湿敏材料组成。

3.如权利要求2所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述湿敏材料为聚酰亚胺。

4.如权利要求1所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述温度传感器由分布的锯齿型扩散电阻构成。

5.如权利要求1所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述压力传感器的测量电路包括设置在硅膜四边上的电阻R_p1，电阻R_p2、电阻R_p3和电阻R_p4组成惠斯登测量电桥。

6.如权利要求1所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述X方向加速度的测量电路包括电阻R_x1，电阻R_x2、电阻R_x3和电阻R_x4组成惠斯登测量电桥。

7.如权利要求1所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述Y方向加速度的测量电路包括电阻R_y1，电阻R_y2、电阻R_y3和电阻R_y4组成惠斯登测量电桥。

8.如权利要求1所述的多传感器的集成芯片，其特征在于，所述Z方向加速度的测量电路包含电阻R_z1，电阻R_z2、电阻R_z3和电阻R_z4组成惠斯登测量电桥。

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