CN208087223U - 一种单片集成空间磁矢量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单片集成空间磁场传感器及其制作工艺，所述传感器包括作为器件层的第一硅片(1)和作为衬底的第二硅片(2)，其中，在第一硅片(1)上设置有六个呈立体结构的硅磁敏三极管，其中两两硅磁敏三极管结合，形成三个磁敏感单元，并且，在芯片内采用MEMS技术嵌入导磁微结构，对z轴方向的磁场进行聚集并导向，从而使得所述传感器实现了空间三维磁场(B_x、B_y和B_z)的检测。本实用新型所述单片集成空间磁矢量传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；所述制作工艺简单，易于实现，适合规模化工业应用。

Description

一种单片集成空间磁矢量传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及空间磁矢量传感器，特别地，涉及一种单片集成空间磁矢量传感器及其制作工艺。

背景技术

随着磁场传感器技术的快速发展，高灵敏度、高准确度和低交叉干扰的空间磁场传感器在地磁导航、电子罗盘、汽车电子、移动通讯等领域具有重要应用。

由于空间三维磁场的多方向性，在现有技术中进行空间三维磁场检测时多采用两种或多种磁敏感元器件结合使用，但是，由于不同磁敏感元器件的磁灵敏度不同、甚至相差较大，从而导致磁场检测的一致性较差。

因此，为提高传感器特性，传感器结构设计主要应选择敏感方向单一的磁敏感元器件，同时兼顾各方向均采用同一种磁敏感元器件。但因方向单一的磁敏感元器件仅对一定方向的磁场敏感，存在不能实现空间各方向磁场同时测量的瓶颈。

实用新型内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，采用MEMS技术在高阻单晶硅上设计、制作六个集成化SOI硅磁敏三极管，其中两两结合，分别形成三个磁敏感单元，并且，采用MEMS技术在芯片内嵌入导磁微结构，对z轴方向的磁场进行聚集并导向，实现了空间三维磁场(B_x、B_y和B_z)的检测，从而完成本实用新型。

本实用新型一方面提供了一种单片集成空间磁矢量传感器，具体体现在以下几方面：

(1)一种单片集成空间磁矢量传感器，其中，所述传感器包括作为器件层的第一硅片1和作为衬底的第二硅片2，其中，在第一硅片1上设置有六个呈立体结构的硅磁敏三极管和两个导磁微结构4，其中，

所述六个硅磁敏三极管两两结合，分别构成三个磁敏感单元，并分别用于x轴、y轴和z轴方向磁场的检测；

所述六个呈立体结构的硅磁敏三极管分别为硅磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管二SMST2、硅磁敏三极管三SMST3、硅磁敏三极管四SMST4、硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6。

(2)根据上述(1)所述的单片集成空间磁矢量传感器，其中，

所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管三SMST3沿x轴按相反磁敏感方向并联设置，所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管三SMST3的集电极分别连接集电极负载电阻一R_L1和集电极负载电阻三R_L3，构成第一磁敏感单元MSE1，用于x轴方向磁场(B_x)的检测；和/或

所述硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4沿y轴按相反磁敏感方向并联设置，所述硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4的集电极分别连接集电极负载电阻二R_L2和集电极负载电阻四R_L4，构成第二磁敏感单元MSE2，用于y轴方向磁场(B_y)的检测。

(3)根据上述(1)或(2)所述的单片集成空间磁矢量传感器，其中，

在所述第一磁敏感单元MSE1中，硅磁敏三极管一的基区和硅磁敏三极管三的集电区沿x轴方向共线，硅磁敏三极管一的集电区和硅磁敏三极管三的基区沿x轴方向共线；和/或

在所述第二磁敏感单元MSE2中，硅磁敏三极管四的基区和硅磁敏三极管二的集电区沿y轴方向共线，硅磁敏三极管四的集电区和硅磁敏三极管二的基区沿y轴方向共线。

(4)根据上述(1)至(3)之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其中，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6设置第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2的中心；

优选地，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6沿x轴或y轴按相同磁敏感方向并联设置；

更优选地，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的集电极分别连接集电极负载电阻五R_L5和集电极负载电阻六R_L6，构成第三磁敏感单元MSE3，用于z轴方向磁场(B_z)的检测。

(5)根据上述(1)至(4)之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其中，在所述第三磁敏感单元MSE3中，硅磁敏三极管五的基区和硅磁敏三极管六的基区沿x轴或y轴方向共线，硅磁敏三极管五的集电区和硅磁敏三极管六的集电区沿x轴或y轴方向共线。

(6)根据上述(1)至(5)之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其中，所述导磁微结构4呈L型，其包括垂直于第一硅片的导磁材料柱体41和平行于第一硅片的梯形台42；

优选地，由梯形台42的固定端至梯形台42的自由端，所述梯形台42的截面积逐渐减小；

更优选地，所述导磁微结构4由高磁导率材料制成，所述高磁导率材料相对磁导率大于2.5E5，例如NiFe。

(7)根据上述(1)至(6)之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其中，所述两个导磁微结构4分别设置在硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的两侧；

优选地，所述两个导磁微结构4按照其梯形台42分别朝向硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的磁敏感方向设置。

本实用新型第二方面提供了一种本实用新型第一方面所述单片集成空间磁矢量传感器的制作工艺，所述制作工艺包括以下步骤：

步骤1、清洗第一硅片1，进行一次氧化，在其下表面生长二氧化硅层，进行一次光刻，制作磁敏感单元发射区窗口，离子注入，进行n⁺型掺杂，形成高掺杂发射区，掺杂浓度优化为2E19cm^-3，高温退火处理；

步骤2、清洗第二硅片2，上表面生长二氧化硅层3，采用键合工艺使第一硅片1与第二硅片2之间进行键合，优选第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面之间进行键合；

步骤3、键合后，对第一硅片1进行工艺减薄、抛光、清洗处理，优选第一硅片1减薄后厚度为30μm，并在第一硅片1的上表面生长二氧化硅层；

步骤4、在第一硅片1的上表面进行二次光刻，并进行n⁺型重掺杂后，形成隔离环5；

步骤5、在第一硅片1的上表面进行三次光刻，并进行n^-型轻掺杂后，形成六个硅磁敏三极管的六个集电极负载电阻和六个基极电阻；

步骤6、在第一硅片1的上表面进行四次光刻，并进行n⁺型重掺杂后，形成六个集电区；

步骤7、在第一硅片1的上表面进行五次光刻，通过深槽刻蚀(ICP)制作基区硅杯结构，并进行p⁺型重掺杂后，形成六个基区；

步骤8、在第一硅片1的上表面进行六次光刻，形成两个导磁微结构4；

步骤9、在第一硅片1的上表面七次光刻，刻蚀引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al，并在金属Al的表面进行反刻蚀，形成金属Al互连线；

步骤10、在第一硅片1的上表面生长钝化层，八次光刻，形成压焊点，并在第二硅片1的下表面九次光刻，刻蚀发射区引线窗口，形成C型硅杯；

步骤11、清洗，在C型硅杯的表面真空蒸镀金属Al，形成金属Al电极；

步骤12、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述空间磁矢量传感器。

本实用新型第三方面提供了一种单片集成空间磁矢量传感器，优选采用本实用新型第二方面所述制作工艺得到。

附图说明

图1示出本实用新型所述单片集成空间磁矢量传感器的俯视示意图；

图2示出本实用新型所述单片集成空间磁场传感器的等效电路图；

图3示出所述导磁微结构的结构示意图；

图4示出图1中a-a处的一种优选实施方式的截面示意图；

图5示出图1中b-b处的一种优选实施方式的截面示意图；

图6-1～图6-9示出本实用新型所述制作工艺的工艺过程图(沿图1中a-a截面)。

附图标记说明

1-第一硅片；2-第二硅片；3-二氧化硅层；4-导磁微结构；41-导磁材料柱体；42-梯形台；5-隔离环；6-Al电极；7-C型硅杯；83-硅磁敏三极管三的基区；84-硅磁敏三极管四的基区；85-硅磁敏三极管五的基区；91-硅磁敏三极管一的集电区；92-硅磁敏三极管二的集电区；95-硅磁敏三极管五的集电区；96-硅磁敏三极管六的集电区；10-公共发射区；SMST1-硅磁敏三极管一；SMST2-硅磁敏三极管二；SMST3-硅磁敏三极管三；SMST4-硅磁敏三极管四；SMST5-硅磁敏三极管五；SMST6-硅磁敏三极管六；R_b1-基极电阻一；R_b2-基极电阻二；R_b3-基极电阻三；R_b4-基极电阻四；R_b5-基极电阻五；R_b6-基极电阻六；R_L1-集电极负载电阻一；R_L2-集电极负载电阻二；R_L3-集电极负载电阻三；R_L4-集电极负载电阻四；R_L5-集电极负载电阻五；R_L6-集电极负载电阻六；B₁-硅磁敏三极管一的基极；B₂-硅磁敏三极管二的基极；B₃-硅磁敏三极管三的基极；B₄-硅磁敏三极管四的基极；B₅-硅磁敏三极管五的基极；B₆-硅磁敏三极管六的基极；C₁-硅磁敏三极管一的集电极；C₂-硅磁敏三极管二的集电极；C₃-硅磁敏三极管三的集电极；C₄-硅磁敏三极管四的集电极；C₅-硅磁敏三极管五的集电极；C₆-硅磁敏三极管六的集电极；V_DD-电源；GND-接地；V₁-输出电压一；V₂-输出电压二；V₃-输出电压三；V₄-输出电压四；V₅-输出电压五；V₆-输出电压六。

具体实施方式

下面通过对本实用新型进行详细说明，本实用新型的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本实用新型一方面提供了一种单片集成空间磁矢量传感器，如图1所示，所述传感器包括作为器件层的第一硅片1和作为衬底的第二硅片2，其中，在第一硅片1上设置有六个呈立体结构的硅磁敏三极管和两个导磁微结构4，其中，所述六个硅磁敏三极管两两结合，分别构成三个磁敏感单元。

其中，如图1所示，所述六个呈立体结构的硅磁敏三极管分别为硅磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管二SMST2、硅磁敏三极管三SMST3、硅磁敏三极管四SMST4、硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6，所述三个磁敏感单元分别为第一磁敏感单元MSE1、第二磁敏感单元MSE2和第三磁敏感单元MSE3。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在第一硅片1和第二硅片2之间设置二氧化硅层3。

在进一步优选的实施方式中，第一硅片1的厚度为20～40μm，第二硅片2的厚度为450-600μm，所述二氧化硅层的厚度为300-1200nm。

在更进一步优选的实施方式中，第一硅片1的厚度为30μm，第二硅片2的厚度为500-550μm，所述二氧化硅层的厚度为500-1000nm。

其中，本实用新型采用两个硅片进行键合，位于下方的第二硅片用于起支撑作用，第一硅片作为器件层。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在第一硅片1的上表面制作有集电区、基区，第一硅片1的下表面制作有发射区。

在进一步优选的实施方式中，在发射区、集电区和基区的表面蒸镀金属Al层，分别形成硅磁敏三极管的发射极、集电极和基极。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在第一硅片1的上表面、集电区的另一侧制作有集电极负载电阻，在第一硅片1的上表面、基区的一侧制作有基极电阻。

在进一步优选的实施方式中，所述集电极负载电阻为n^-型掺杂，所述基极电阻为n^-型掺杂。

在更进一步优选的实施方式中，所述集电极负载电阻的阻值1.5kΩ-4.0kΩ，所述基极电阻的阻值1.0kΩ-3.0kΩ。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管三SMST3沿x轴按相反磁敏感方向并联设置。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管三SMST3的集电极分别连接集电极负载电阻一R_L1和集电极负载电阻三R_L3。

在更进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管三SMST3以及两者分别连接的集电极负载电阻一R_L1和集电极负载电阻三R_L3构成第一磁敏感单元MSE1，用于x轴方向磁场(B_x)的检测。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第一磁敏感单元MSE1中，硅磁敏三极管一的基区和硅磁敏三极管三的集电区沿x轴方向共线。

在进一步优选的实施方式中，如图1所示，在所述第一磁敏感单元MSE1中，硅磁敏三极管一的集电区和硅磁敏三极管三的基区沿x轴方向共线。

更优选地，如图1所示，硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管三SMST3各自基区与集电区之间所在线与y轴平行。

这样，如图1所示，使得硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管三SMST3各自基区与集电区之间的长基区相互平行且对齐排列。这样，通过对硅磁敏三极管重新进行排布设置，使得x轴方向探测磁场的区间范围大大减小，为硅磁敏三极管基区和集电区之间的距离。因此，当磁场在x轴方向的范围只有基区与集电区之间的长基区大小时即可实现探测，而不需要磁场覆盖整个x轴。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4沿y轴按相反磁敏感方向并联设置。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4的集电极分别连接集电极负载电阻二R_L2和集电极负载电阻四R_L4。

在更进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4以及两者分别连接的集电极负载电阻二R_L2和集电极负载电阻四R_L4构成第二磁敏感单元MSE2，用于y轴方向磁场(B_y)的检测。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第二磁敏感单元MSE2中，硅磁敏三极管四的基区和硅磁敏三极管二的集电区沿y轴方向共线。

在进一步优选的实施方式中，如图1所示，在所述第二磁敏感单元MSE2中，硅磁敏三极管四的集电区和硅磁敏三极管二的基区沿y轴方向共线。

更优选地，如图1所示，硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4各自基区与集电区之间所在线与x轴平行。

这样，如图1所示，使得硅磁敏三极管二SMST2和硅磁敏三极管四SMST4各自基区与集电区之间的长基区相互平行且对齐排列。这样，通过对硅磁敏三极管重新进行排布设置，使得y轴方向探测磁场的区间范围大大减小，为硅磁敏三极管基区和集电区之间的距离。因此，当磁场在x轴方向的范围只有基区与集电区之间的长基区大小时即可实现探测，而不需要磁场覆盖整个y轴。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6设置第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2的中心。

在进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6沿x轴或y轴按相同磁敏感方向并联设置。

在更进一步优选的实施方式中，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的集电极分别连接集电极负载电阻五R_L5和集电极负载电阻六R_L6。

在更进一步优选的实施方式中，所述硅磁敏三极管五SMST5、硅磁敏三极管六SMST6以及两者分别连接的集电极负载电阻五R_L5和集电极负载电阻六R_L6构成第三磁敏感单元MSE3，用于z轴方向磁场(B_z)的检测。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第三磁敏感单元MSE3中，硅磁敏三极管五的基区和硅磁敏三极管六的基区沿x轴或y轴方向共线。

在进一步优选的实施方式中，如图1所示，在所述第二磁敏感单元MSE2中，硅磁敏三极管五的集电区和硅磁敏三极管六的集电区沿x轴或y轴方向共线。

更优选地，如图1所示，硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6各自基区与集电区之间所在线与x轴或y轴平行。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图3所示，所述导磁微结构4呈L型，其包括垂直于第一硅片的导磁材料柱体41和平行于第一硅片的梯形台42。

其中，所述导磁材料柱体41用于实现z轴方向磁场(B_z)的收集，所述梯形台42用于实现将z轴方向磁场(B_z)转换为水平方向磁场(B’_x或B’_y)。

在进一步优选的实施方式中，如图3所示，由梯形台42的固定端至梯形台42的自由端，所述梯形台42的截面积逐渐减小。

这样，所述梯形台42不仅可以实现z轴磁场向x轴或y轴的转变，同时，随着其截面积的逐渐减小(磁场由大面积进小面积出)可以实现聚集磁力线，增强磁场，增大磁灵敏度。

在更进一步优选的实施方式中，所述导磁微结构4由高磁导率材料制成，所述高磁导率材料相对磁导率大于2.5E5，例如NiFe。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述两个导磁微结构4分别设置在硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的两侧。

在进一步优选的实施方式，如图1所示，所述两个导磁微结构4按照其梯形台42分别朝向硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的磁敏感方向设置。

这样，先通过导磁材料柱体41将z轴方向的磁场进行收集，然后在与梯形台42的连接处磁场方向发生转折，沿梯形台42的导出方向使收集的磁场导向分别施加到硅磁敏三极管五SMST5的长基区(基区与集电区之间)和硅磁敏三极管六SMST6的长基区(基区与集电区之间)，实现z轴方向磁场的检测。

因此，在本实用新型中，巧妙地采用导磁微结构4，对z轴方向的磁场先进行导磁然后进行聚磁，使z轴方向的磁场转变为x轴方向或y轴方向，再利用磁敏三极管进行检测。并且，这样，对x轴、y轴和z轴的检测均实现了采用磁敏三极管(采用同种磁敏元件)进行，保证了磁场检测具有较好的一致性。并且，在本实用新型中，将硅磁敏三极管五和硅磁敏三极管六按相同磁敏感方向设置，这样，可以消除水平方向磁场(B_x或B_y)引起的信号干扰。

但是，在现有技术中，由于磁敏三极管不能实现垂直方向磁场的检测，因此，其应用多限制于一维或二维磁场检测的应用。即使将磁敏三极管应用于空间三维磁场的检测，其也只能实现xy平面磁场的检测，而对于z轴磁场则利用其它磁敏元件进行(例如霍尔传感器)，但是，这样，由于xy平面和z轴采用不同的磁敏元件，会导致检测一致性较差。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述六个硅磁敏三极管的基区为硅腐蚀坑。

在进一步优选的实施方式中，所述硅腐蚀坑的深度为20-30μm，优选25μm。

其中，与现有技术相比，在本实用新型中，刻蚀基区时，使基区向下延伸，形成立体结构的基区，这样，在磁场作用下，可以明显提高基区载流子注入能力，由发射区发射的电子有效与基区注入载流子复合，调制被集电区收集的载流子，集电极电流I_C发生明显改变，有效地提高了磁敏三极管对磁场的磁敏感程度，因此，有效改善磁敏三极管磁敏感特性。

在更进一步优选的实施方式中，所述基区的内侧面所在的平面与基区的底面所在的平面之间的夹角为5～15°，优选为5～10°。

其中，由于在基区内会引入Al金属，因此，如果基区的内侧面与底面垂直，则会大大加大引入Al金属的难度，而如果内侧面为一斜面，则大大降低了Al金属的引入难度。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图4所示，在第一硅片1上、每个硅磁敏三极管周围制作有隔离环5，优选所述隔离环穿透所述第一硅片1。

在进一步优选的实施方式中，所述隔离环5为n⁺型掺杂。

其中，在p型硅片上，刻蚀n⁺型掺杂的隔离环5，这样，隔离环5里外均为P型，隔离环与第一硅片的内外接触面形成PN结，而由于PN结具有单向导电特性，因此，总会有一个接触面(内接触面或外接触面)不导通，这样，成功将每个硅磁敏三极管与其它器件进行隔离，防止了器件间的导通，避免了相互干扰，提高了磁灵敏度一致性和传感器的稳定性。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2所示，所述集电极负载电阻一R_L1、集电极负载电阻二R_L2、集电极负载电阻三R_L3、集电极负载电阻四R_L4、集电极负载电阻五R_L5和集电极负载电阻六R_L6的另一端均与电源V_DD连接。

在进一步优选的实施方式中，集电极负载电阻一R_L1、集电极负载电阻二R_L2、集电极负载电阻三R_L3、集电极负载电阻四R_L4、集电极负载电阻五R_L5和集电极负载电阻六R_L6均为n^-型掺杂。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2所示，所述传感器还包括基极负载电阻一R_B1、基极负载电阻二R_B2、基极负载电阻三R_B3、基极负载电阻四R_B4、基极负载电阻五R_B5和基极负载电阻六R_B6，分别与硅磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管二SMST2、硅磁敏三极管三SMST3、硅磁敏三极管四SMST4、硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的基极相连。

在进一步优选的实施方式中，基极电阻一R_b1、基极电阻二R_b2、基极电阻三R_b3、基极电阻四R_b4、基极电阻五R_b5和基极电阻六R_b6的另一端均接电源V_DD。

在更进一步优选的实施方式中，基极电阻一R_b1、基极电阻二R_b2、基极电阻三R_b3、基极电阻四R_b4、基极电阻五R_b5和基极电阻六R_b6均为n^-型掺杂。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2所示，所述磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管二、硅磁敏三极管三SMST3、硅磁敏三极管四、硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的公共发射极相连并接地。

其中，基极与负载电阻相连，这样，在不需要为每个基极提供一个电流源的情况下，即可为基极提供恒定的电流。

本实用新型第二方面提供一种本实用新型第一方面所述单片集成空间磁矢量传感器的制作工艺，如图6所示，所述工艺包括以下步骤：

步骤1、清洗第一硅片1，进行一次氧化，在其下表面生长二氧化硅层，进行一次光刻，制作磁敏感单元发射区窗口，离子注入，进行n⁺型掺杂，形成高掺杂发射区，掺杂浓度优化为2E19cm^-3，高温退火处理；

步骤2、清洗第二硅片2，上表面生长二氧化硅层3，采用键合工艺使第一硅片1与第二硅片2之间进行键合，优选第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面之间进行键合(如图6-1所示)；

步骤3、键合后，对第一硅片1进行工艺减薄、抛光、清洗处理，优选第一硅片1减薄后厚度为30μm，并在第一硅片1的上表面生长二氧化硅层(如图6-2所示)；

步骤4、在第一硅片1的上表面进行二次光刻，并进行n⁺型重掺杂后，形成隔离环5(如图6-3所示)；

步骤5、在第一硅片1的上表面进行三次光刻，并进行n^-型轻掺杂后，形成六个硅磁敏三极管的六个集电极负载电阻和六个基极电阻(如图6-4所示)；

步骤6、在第一硅片1的上表面进行四次光刻，并进行n⁺型重掺杂后，形成六个集电区(如图6-5所示)；

步骤7、在第一硅片1的上表面进行五次光刻，通过深槽刻蚀(ICP)制作基区硅杯结构，并进行p⁺型重掺杂后，形成六个基区(如图6-6所示)；

步骤8、在第一硅片1的上表面进行六次光刻，形成两个导磁微结构4；

步骤9、在第一硅片1的上表面七次光刻，刻蚀引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al，并在金属Al的表面进行反刻蚀，形成金属Al互连线(如图6-7所示)；

步骤10、在第一硅片1的上表面生长钝化层，八次光刻，形成压焊点，并在第二硅片1的下表面九次光刻，刻蚀发射区引线窗口，形成C型硅杯(如图6-8所示)；

步骤11、清洗，在C型硅杯的表面真空蒸镀金属Al，形成金属Al电极(如图6-9所示)；

步骤12、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述空间磁矢量传感器。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤1中，所述第一硅片1为<100>晶向高阻p型单晶硅片。

在进一步优选的实施方式中，所述第一硅片的电阻率大于1000Ω·cm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤1中，采用热氧化法生长二氧化硅层。

在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，生长的二氧化硅层的厚度为500-1000nm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤1中，所述高温退火处理如下进行：于800-1000℃下真空环境处理30～40min。

根据本实用新型一种优选的实施方式，步骤8如下进行：

步骤8-1、利用高磁导率材料、采用MEMS技术制作导磁微结构；

步骤8-2、采用ICP刻蚀技术在第一硅片表面刻蚀嵌入坑，优选地，在ICP刻蚀过程中采用光刻胶作为保护层；

步骤8-3、将步骤8-1制作的导磁微结构嵌入步骤8-2刻蚀的嵌入坑内，优选地，在显微镜下通过微夹钳将导磁微结构嵌入坑内；

在进一步优选的实施方式中，在步骤8-3中，导磁微结构嵌入坑内后，导磁微结构的梯形台42与硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的长基区共面。

其中，梯形台42与硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的长基区共面共面是指梯形台42的自由端处与硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的长基区共面，这样，可以保证所述两个导磁微结构4按照其梯形台42分别朝向硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6的磁敏感方向设置。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤12中，所述合金化处理如下进行：于350～500℃下处理10～50min。

在进一步优选的实施方式中，在步骤12中，于400～450℃下处理20～40min，例如420℃下处理30min。

本实用新型第三方面提供了一种根据本实用新型第二方面所述制作工艺得到的单片集成空间磁矢量传感器。

本实用新型所具有的有益效果：

(1)本实用新型所述空间磁矢量传感器通过将六个磁敏三极管构成的三个磁敏感单元(MSE1、MSE2、MSE3)与导磁微结构相结合，实现了同一种磁敏感器件对空间磁场(B_x、B_y、B_z)的检测；同时，均采用磁敏三极管进行磁场检测，保证了磁场检测的一致性；

(2)本实用新型所述空间磁矢量传感器中采用的导磁微结构可将z方向磁场(B_z)转换为水平方向磁场(B’_x或B’_y)进行检测，并利用梯形结构将磁力线进行了聚集，有效改善z方向磁场大小；

(3)本实用新型所述空间磁矢量传感器中第三磁敏感单元MSE3采用磁敏感方向相同的两个磁敏三极管进行并联连接，有效消除了水平方面磁场(B_x或B_y)引起的信号干扰；

(4)本实用新型所述单片集成空间磁矢量传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；

(5)本实用新型所述制作工艺简单，易于实现，适合规模化工业应用。

实验例1

采用北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司的磁场发生系统对本实用新型所述单片集成空间磁矢量传感器(图1所示)进行测试，分析单片集成空间磁场传感器的磁场检测灵敏度，经过检测可知：

(1)当电源电压5.0V时：

本实用新型所述传感器的x轴方向磁传感器灵敏度为295mV/T，y方向磁传感器灵敏度295mV/T，y方向磁传感器灵敏度293mV/T；

可知，本实用新型所述传感器可以实现对空间三维磁场的检测，并且得到的x、y和z三个方向的磁灵敏度接近一致。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，所述传感器包括作为器件层的第一硅片(1)和作为衬底的第二硅片(2)，其中，在第一硅片(1)上设置有六个呈立体结构的硅磁敏三极管和两个导磁微结构(4)，所述导磁微结构(4)呈L型，其包括垂直于第一硅片的导磁材料柱体(41)和平行于第一硅片的梯形台(42)其中，

所述六个硅磁敏三极管两两结合，分别构成三个磁敏感单元，并分别用于x轴、y轴和z轴方向磁场的检测；

所述六个呈立体结构的硅磁敏三极管分别为硅磁敏三极管一(SMST1)、硅磁敏三极管二(SMST2)、硅磁敏三极管三(SMST3)、硅磁敏三极管四(SMST4)、硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)。

2.根据权利要求1所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，

所述硅磁敏三极管一(SMST1)和硅磁敏三极管三(SMST3)沿x轴按相反磁敏感方向并联设置，硅磁敏三极管一(SMST1)和硅磁敏三极管三(SMST3)的集电极分别连接集电极负载电阻一(R_L1)和集电极负载电阻三(R_L3)，构成第一磁敏感单元(MSE1)，用于x轴方向磁场(B_x)的检测；和/或

所述硅磁敏三极管二(SMST2)和硅磁敏三极管四(SMST4)沿y轴按相反磁敏感方向并联设置，硅磁敏三极管二(SMST2)和硅磁敏三极管四(SMST4)的集电极分别连接集电极负载电阻二(R_L2)和集电极负载电阻四(R_L4)，构成第二磁敏感单元(MSE2)，用于y轴方向磁场(B_y)的检测。

3.根据权利要求2所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，

在所述第一磁敏感单元(MSE1)中，硅磁敏三极管一的基区和硅磁敏三极管三的集电区沿x轴方向共线，硅磁敏三极管一的集电区和硅磁敏三极管三的基区沿x轴方向共线；和/或

在所述第二磁敏感单元(MSE2)中，硅磁敏三极管四的基区和硅磁敏三极管二的集电区沿y轴方向共线，硅磁敏三极管四的集电区和硅磁敏三极管二的基区沿y轴方向共线。

4.根据权利要求3所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，所述硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)设置在第一磁敏感单元(MSE1)和第二磁敏感单元(MSE2)的中心。

5.根据权利要求1至4之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，

所述硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)沿x轴或y轴按相同磁敏感方向并联设置。

6.根据权利要求5所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，所述硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)的集电极分别连接集电极负载电阻五(R_L5)和集电极负载电阻六(R_L6)，构成第三磁敏感单元(MSE3)，用于z轴方向磁场(B_z)的检测。

7.根据权利要求6所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，在所述第三磁敏感单元(MSE3)中，硅磁敏三极管五的基区和硅磁敏三极管六的基区沿x轴或y轴方向共线，硅磁敏三极管五的集电区和硅磁敏三极管六的集电区沿x轴或y轴方向共线。

8.根据权利要求1至4之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，

由梯形台(42)的固定端至梯形台(42)的自由端，所述梯形台(42)的截面积逐渐减小。

9.根据权利要求1至4之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，

所述导磁微结构(4)由高磁导率材料制成，所述高磁导率材料是指相对磁导率大于2.5E5的材料。

10.根据权利要求1至4之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，所述两个导磁微结构(4)分别设置在硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)的两侧。

11.根据权利要求1至4之一所述的单片集成空间磁矢量传感器，其特征在于，

所述两个导磁微结构(4)按照其梯形台(42)分别朝向硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)的磁敏感方向设置。