CN208667085U - 集成传感器mems芯片及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种集成传感器MEMS芯片及电子设备，该MEMS芯片包括形成于SOI晶圆上的加速度传感器、温度传感器、湿度传感器及气压传感器；加速度传感器包括形成于薄膜层上的支撑梁、位于支撑梁上的多个第一压敏电阻、形成于第一衬底上的质量块，质量块通过形成在埋氧化层上的连接部与支撑梁连接；温度传感器包括在薄膜层上经掺杂形成的PN结，PN结形成用于检测温度的二极管；湿度传感器包括形成于第一衬底上的第一真空腔、形成于薄膜层的多个第二压敏电阻，薄膜层与第一真空腔正对位置涂抹有感湿材料以形成感湿层；气压传感器包括形成于第一衬底上的第二真空腔、形成于薄膜层的多个第三压敏电阻。本实用新型提高了传感器的集成度。

Description

集成传感器MEMS芯片及电子设备

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种集成传感器MEMS芯片及电子设备。

背景技术

随着工业数字化、智能化发展，传感器在可穿戴设备、智能家居、智慧交通、工业制造等领域中得到了广泛的应用。而且，随着科技的发展以及用户要求的提高，传感器目前正朝着智能化、集成化、微型化的趋势发展。

加速度，气压，温度和湿度等物理量是与人们日常生活息息相关的物理量，用于测量这些物理量的传感器也被广泛应用于智能穿戴及智能家居等领域。

目前，电子设备例如运动手环，大多是在其电路板上贴装有分立的压力传感器芯片，湿度传感器芯片，以及温度传感器芯片等测量自然环境参数的传感器，这不但占用了较大的电路板的面积，使电子设备无法进一步缩小其体积，而阻碍其向微型化方向发展，而且贴装工艺繁琐。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种集成传感器MEMS芯片及电子设备，旨在提高传感器的集成度。

为实现上述目的，本实用新型提出一种集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述集成传感器MEMS芯片包括：

SOI晶圆，所述SOI晶圆包括衬底、覆盖在所述衬底上的薄膜层以及夹设在所述衬底与所述薄膜层之间的埋氧化层；

形成于所述SOI晶圆上的加速度传感器、温度传感器、湿度传感器及气压传感器；其中，

所述加速度传感器包括：形成于所述薄膜层上的支撑梁、位于所述支撑梁上的多个第一压敏电阻、形成于所述第一衬底上的质量块，所述质量块通过形成在所述埋氧化层上的连接部与所述支撑梁连接；多个所述第一压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路；

所述温度传感器包括：在所述薄膜层上经掺杂形成的PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管；

所述湿度传感器包括：形成于所述第一衬底上的第一真空腔、形成于所述薄膜层的多个第二压敏电阻，所述薄膜层与所述第一真空腔正对位置涂抹有感湿材料，以形成感湿层；多个所述第二压敏电阻对应所述第一真空腔的位置设置，多个所述第二压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路；

所述气压传感器包括：形成于所述第一衬底上的第二真空腔、形成于所述薄膜层的多个第三压敏电阻，多个所述第三压敏电阻对应所述第二真空腔的位置设置；多个所述第三压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路。

可选地，在所述支撑梁包括八个梁臂，每一所述梁臂上经过轻掺杂形成一所述第一压敏电阻，每一所述梁臂上经过重掺杂形成用于将各所述第一压敏电阻连接成一惠斯通电路的第一导电部。

可选地，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过轻掺杂分别形成四个所述第二压敏电阻，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过重掺杂分别形成用于将四个所述第二压敏电阻连接成一惠斯通电路的第二导电部。

可选地，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过轻掺杂分别形成四个所述第三压敏电阻，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过重掺杂分别形成用于将四个所述第三压敏电阻连接成一惠斯通电路的第三导电部。

可选地，所述集成传感器MEMS芯片还包括覆盖在薄膜层上的钝化层；

所述湿敏材料设置在钝化层上，且对应所述第一真空腔的位置设置；

或者，所述湿敏材料设置在钝化层与所述薄膜层之间，所述湿敏材料对应所述第一真空腔的位置设置。

可选地，所述钝化层上还设置有用于将第一导电部、第二导电部和第三导电部露出的开窗，

在所述开窗的位置形成有第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘，所述第一焊盘与所述第一导电部连接，所述第二焊盘与所述第二导电部连接，所述第三焊盘与所述第三导电部连接。

可选地，所述薄膜层对应所述第一真空腔的位置还设置有多个用于实现所述第一真空腔与外界连通的通孔。

可选地，所述集成传感器MEMS芯片还包括设置于所述SOI晶圆底部的第二衬底，所述SOI晶圆与所述第二衬底键合形成一体。

可选地，所述第二衬底为玻璃衬底或者硅衬底。

本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的集成传感器MEMS芯片；所述集成传感器MEMS芯片包括：SOI晶圆，所述SOI晶圆包括衬底、覆盖在所述衬底上的薄膜层以及夹设在所述衬底与所述薄膜层之间的埋氧化层；形成于所述SOI晶圆上的加速度传感器、温度传感器、湿度传感器及气压传感器；其中，所述加速度传感器包括：形成于所述薄膜层上的支撑梁、位于所述支撑梁上的多个第一压敏电阻、形成于所述第一衬底上的质量块，所述质量块通过形成在所述埋氧化层上的连接部与所述支撑梁连接；多个所述第一压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路；所述温度传感器包括：在所述薄膜层上经掺杂形成的PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管；所述湿度传感器包括：形成于所述第一衬底上的第一真空腔、形成于所述薄膜层的多个第二压敏电阻，所述薄膜层与所述第一真空腔正对位置涂抹有感湿材料，以形成感湿层；多个所述第二压敏电阻对应所述第一真空腔的位置设置，多个所述第二压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路；所述气压传感器包括：形成于所述第一衬底上的第二真空腔、形成于所述薄膜层的多个第三压敏电阻，多个所述第三压敏电阻对应所述第二真空腔的位置设置；多个所述第三压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路。

本实用新型通过在SOI晶圆上集成的加速度传感器、温度传感器及气压传感器；其中，加速度传感器通过形成于薄膜层上的支撑梁、位于所述支撑梁上的多个第一压敏电阻、形成于所述第一衬底上的质量块构成，并在第一压敏电阻感应到质量块和/或支撑梁的应变时，多个第一压敏电阻构成的惠斯通电路，并输出与加速度成比例的电压值，实现加速度的检测。温度传感器通过薄膜层上经掺杂形成的PN结，该PN结形成用于检测温度的二极管，通过温度的不同使加载在其阴阳两极的电压值产生变化，从而输出与温度成玻璃的电压值，实现温度的检测。湿度传感器通过形成于第一衬底上的第一真空腔、形成于薄膜层的多个第二压敏电阻以及在薄膜上沉积的湿敏材料，湿敏材料会吸收周围环境中的水分子，造成本身膨胀，导致第一真空腔内外产生压差，从而使薄膜层发生形变，使第二压敏电阻的阻值发生改变(ΔR)，从而输出与湿度成比例的电压值，以实现湿度的检测。气压传感器通过形成于第一衬底上的第一真空腔、形成于薄膜层的多个第二压敏电阻，多个第二压敏电阻构成惠斯通电路，并在外界气压作用在薄膜层上时，使薄膜层发生形变，从而使第二压敏电阻的阻值发生改变，进而输出与气压成比例的电压值，实现气压的检测。本实用新型本实用新型在SOI晶圆上设置加速度传感器、气压传感器结构，以及温度传感器结构，以将上述传感器集成在同一个芯片上，减小封装的整体体积，提高传感器的集成度。本实用新型解决了分立传感器在电路板需要占用较大的体积，使电子设备无法进一步缩小其体积，而阻碍其向微型化方向发展，而且贴装工艺繁琐的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型集成传感器MEMS芯片一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型集成传感器MEMS芯片另一实施例的结构示意图；

图3为图1中加速度传感器一实施例的结构示意图；

图4为图1中SOI晶圆实施例的结构示意图；

图5为图1中多个第一压敏电阻构成的惠斯通电路的等效电路图；

图6为图1中多个第二压敏电阻构成的惠斯通电路的等效电路图；

图7为图1中多个第三压敏电阻构成的惠斯通电路的等效电路图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种集成传感器MEMS芯片。

其中，智能穿戴可以是智能手环，项戴式运动耳机，智能家居可以是机器人、无人机、空调、智能灯饰等智能家电产品。上述智能穿戴或者智能家居大多需要对室内温度、室外温度、用户运动参数、大气环境参数、生命体征等进行监测，并将上述参数进行处理，以完成对上述电子产品的自动控制，实行人工智能。因此，必不可免的需要应用到用于测量这些物理量的传感器，例如加速度传感器，气压传感器，温度传感器和湿度传感器等。

目前，上述传感器大多采用分立的封装，也即每一传感器仅能实现单一的功能，因此，电子产品一般需要在其电路板上贴装不同的传感器，以实现不同的检测功能，如此，上述传感器在电路板需要占用较大的体积，使电子设备无法进一步缩小其体积，而阻碍其向微型化方向发展，而且贴装工艺繁琐。

为了解决上述问题，参照图1至图7，在本实用新型一实施例中，该集成传感器MEMS芯片包括：

SOI晶圆100，所述SOI晶圆100包括第一衬底110、覆盖在所述第一衬底110上的薄膜层120以及夹设在所述第一衬底110与所述薄膜层120之间的埋氧化层130；

形成于所述SOI晶圆100上的加速度传感器10、温度传感器20、湿度传感器30及气压传感器40；其中，

所述加速度传感器10包括：形成于所述薄膜层120上的支撑梁11、位于所述支撑梁11上的多个第一压敏电阻12、形成于所述第一衬底110上的质量块13，所述质量块13通过形成在所述埋氧化层130上的连接部与所述支撑梁11连接；多个所述第一压敏电阻12连接，并被构成惠斯通电路；

所述温度传感器20包括：在所述薄膜层120上经掺杂形成的PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管21；

所述湿度传感器30包括：形成于所述第一衬底110上的第一真空腔31、形成于所述薄膜层120的多个第二压敏电阻32，所述薄膜层120与所述第一真空腔31正对位置涂抹有感湿材料，以形成感湿层33；多个所述第二压敏电阻32对应所述第一真空腔31的位置设置，多个所述第二压敏电阻32连接，并被构成惠斯通电路；

所述气压传感器40包括：形成于所述第一衬底110上的第二真空腔41、形成于所述薄膜层120的多个第三压敏电阻42，多个所述第三压敏电阻42对应所述第二真空腔41的位置设置；多个所述第三压敏电阻42连接，并被构成惠斯通电路。

本实施例中，衬底、埋氧化层130和薄膜层120由下至上依次叠设以形成SOI晶圆100。其中，SOI晶圆100可选采用离子注入的方式，例如注氧隔离技术(Speration-by-oxygen implantation，即SIMOX)，或者键合(Bond)技术来制得。SOI晶圆100的制备方法具体可选为在单晶硅片的一表面，注入氧离子以形成氧离子注入层后，在该硅单晶硅片上将上述氧离子注入层变成埋氧化层130，然后对该埋氧化层130进行热处理，以在埋氧化层130上制得薄膜层120。或者，将两个硅晶圆键合一起，之后对其中一硅晶圆进行减薄，以形成薄膜层120，再通过离子注入形成埋氧化层130。

本实施例中，加速度传感器10可以应用于加速度数据的获取，具体可用于智能手环中，以对用户进行计步等运动数据的追踪；湿度传感器30则可以用于湿度数据的获取，具体可以用于检测环境湿度，以使用户根据湿度传感器30检测到的湿度对环境中的湿度进行调节；温度传感器20则可以用于温度数据的获取，具体可以反映室内或者室外环境，还可以对终端，例如智能手环，手机，空调等电子设备内部的温度状态。

其中，在制备加速度传感器10时，首先可以通过离子注入的方式在SOI晶圆100形成第一压敏电阻12，并连接形成惠斯通电路，也即惠斯通电桥；再通过深反应离子刻蚀(DRIE)技术，分别形成质量块13和支撑梁11结构。其中，质量块13的位移与在加速度的方向上加速度的大小成比例。支撑梁11质量块13的外周，并向外延伸，在一个与质量块13的位移相应的特殊的方向弯曲，第一压敏电阻12为应力电阻，在感应到质量块13和/或支撑梁11的应变时，其阻值会随质量块13和/或支撑梁11的应力而变化(ΔR)，多个第一压敏电阻12构成的惠斯通电路后，输出与加速度成比例的电压值，以实现加速度的检测。本实施例中，质量块13具有凹口或者凹进部分，凹进部分与支撑梁11连接，并且可以使支撑梁11的梁臂更长，而质量块13的体积也可以做得更大，可以理解的是，通过优化质量块13的凹进部分的深度，可以在不降低加速度的灵敏度的同时，使芯片尺寸更小。

在制备湿度传感器30时，首先同样可以通过离子注入的方式在SOI晶圆100形成第二压敏电阻32，并连接形成惠斯通电路，也即惠斯通电桥；然后通过深反应离子刻蚀(DRIE)技术，形成下第一衬底110上与薄膜层120形成第一真空腔31，再在薄膜上沉积一层湿敏材料，例如高分子聚合物材料(Polymide-聚酰胺)，湿敏材料会吸收周围环境中的水分子，造成本身膨胀，导致第一真空腔31内外产生压差，从而使薄膜层120发生形变，形变产生的应力作用在多个第二压敏电阻32上，使第二压敏电阻32的阻值发生改变(ΔR)，惠斯通电桥的差分输出为非0值，也即输出与湿度成比例的电压值，以实现湿度的检测。可以理解的是，为了得到最大的输出电压，会使相邻的两个第二压敏电阻32的压阻系数的符号相反。其中，第一真空腔31的制备方法可以是，第一衬底110沿其厚度方向贯穿设置并与所述薄膜层120、所述第二衬底围合形成所述第一真空腔31。

在制备气压传感器40时，可以通过离子注入的方式在SOI晶圆100形成第二压敏电阻32，并连接形成惠斯通电路，也即惠斯通电桥；再通过深反应离子刻蚀(DRIE)技术，形成下第一衬底110上与薄膜层120形成第二真空腔41，当外界气压作用在薄膜层120上时，由于第二真空腔41的腔内外存在气压差，会使薄膜层120发生形变，形变产生的应力作用在多个第二压敏电阻32上，使第三压敏电阻42的阻值发生改变(ΔR)，惠斯通电桥的差分输出为非0值，也即输出与气压成比例的电压值，以实现气压的检测。可以理解的是，为了得到最大的输出电压，会使相邻的两个第三压敏电阻42的压阻系数的符号相反。其中，第二真空腔41的制备方法可以是，第一衬底110沿其厚度方向贯穿设置并与所述薄膜层120、所述第二衬底围合形成所述第二真空腔41。

在制备温度传感器20时，在所述薄膜层120上经掺杂形成的PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管21，也即形成感温二极管21，感温二极管21对温度即为敏感，当保持同一电流流经感温二极管21时，其内部电阻是不同的，也即加载在其阴阳两极的电压值会不同，从而输出与温度成玻璃的电压值，以实现温度的检测。

可以理解的是，上述实施例中，加速度传感器10、湿度传感器30及温度传感器20在具体制作的过程中，一些工艺步骤可以同时进行，以减少集成传感器的工艺步骤，例如在制作加速度传感器10和气压传感器40时，可以通过离子注入的方式在SOI晶圆100对应的位置分别形成多个第一压敏电阻12、多个第二压敏电阻32和多个第三压敏电阻42，并分别连接形成惠斯通电路，也即惠斯通电桥；再通过深反应离子刻蚀(DRIE)技术，分别形成质量块13、支撑梁11结构、第一真空腔31和第二真空腔41，具体的尺寸可以根据实际需求以及对应的传感器进行设置，此处不做限制。

本实用新型通过在SOI晶圆100上集成的加速度传感器10、温度传感器20及气压传感器40；其中，加速度传感器10通过形成于薄膜层120上的支撑梁11、位于所述支撑梁11上的多个第一压敏电阻12、形成于所述第一衬底110上的质量块13构成，并在第一压敏电阻12感应到质量块13和/或支撑梁11的应变时，多个第一压敏电阻12构成的惠斯通电路，并输出与加速度成比例的电压值，实现加速度的检测。温度传感器20通过薄膜层120上经掺杂形成的PN结，该PN结形成用于检测温度的二极管21，通过温度的不同使加载在其阴阳两极的电压值产生变化，从而输出与温度成玻璃的电压值，实现温度的检测。湿度传感器30通过形成于第一衬底110上的第一真空腔31、形成于薄膜层120的多个第二压敏电阻32以及在薄膜上沉积的湿敏材料，湿敏材料会吸收周围环境中的水分子，造成本身膨胀，导致第一真空腔31内外产生压差，从而使薄膜层120发生形变，使第二压敏电阻32的阻值发生改变(ΔR)，从而输出与湿度成比例的电压值，以实现湿度的检测。气压传感器40通过形成于第一衬底110上的第一真空腔31、形成于薄膜层120的多个第二压敏电阻32，多个第二压敏电阻32构成惠斯通电路，并在外界气压作用在薄膜层120上时，使薄膜层120发生形变，从而使第二压敏电阻32的阻值发生改变，进而输出与气压成比例的电压值，实现气压的检测。本实用新型本实用新型在SOI晶圆100上设置加速度传感器10、气压传感器40结构，以及温度传感器20结构，以将上述传感器集成在同一个芯片上，减小封装的整体体积，提高传感器的集成度。本实用新型解决了分立传感器在电路板需要占用较大的体积，使电子设备无法进一步缩小其体积，而阻碍其向微型化方向发展，而且贴装工艺繁琐的问题。

参照图1至图7，在一可选实施例中，在所述支撑梁11包括八个梁臂，每一所述梁臂上经过轻掺杂形成一所述第一压敏电阻12，每一所述梁臂上经过重掺杂形成用于将各所述第一压敏电阻12连接成一惠斯通电路的第一导电部(图未示出)。

本实施例中，支撑梁11具有八个梁臂，并且在每一梁臂上均设置有一个第一压敏电阻12，也即，第一压敏电阻12的数量为八个。各第一压敏电阻12通过离子注入的方式进行轻掺杂形成，掺杂的材料可以是硼元素，或者磷元素。然后在薄膜层120相应的位置进行重掺杂，形成与各第一压敏电阻12导通的第一导电部。通过该第一导电部可以将各第一压敏电阻12的信号引出。其中，八个第一压敏电阻12分别标记为R_X1、R`_X1、R_X2、R`_X2、R_Y1、R`_Y1、R_Y2、R`_Y2。R_X1的一端与R_X2的一端与接地端连接，R_X1的另一端与R`_X1的一端连接，R_X1和R`_X1的公共端标记为Out1，R_X2的另一端与R`_X2的一端连接，R_X2和R`_X2的公共端标记为Out2。R`_X1的另一端与R`_X2的另一端均与电源端连接。R_Y1的一端与R_Y2的一端与接地端连接，R_Y1的另一端与R`_Y1的一端连接，R_Y1和R`_Y1的公共端标记为Out3，R_Y2的另一端与R`_Y2的一端连接，R_Y2和R`_Y2的公共端标记为Out4。R`_Y1的另一端与R`_Y2的另一端均与电源端连接。并且R_X1、R`_X1、R_X2、R`_X2之间连接成一个检测笛卡尔坐标系中X轴方向信号的惠斯通电桥；R_Y1、R`_Y1、R_Y2、R`_Y2之间连接成一个检测笛卡尔坐标系中轴方向信号的惠斯通电桥，R_X1、R`_X1、R_X2、R`_X2、R_Y1、R`_Y1、R_Y2、R`_Y2之间连接成一个检测笛卡尔坐标系中Z轴方向信号的惠斯通电桥。其中，电源端VDD+和接地端GND为惠斯通电桥提供直流激励。加速度传感器10的工作原理具体为，当加速度在水平方向(X/Y轴)时，由于惯性作用，水平支撑梁11同一侧的两个第一压敏电阻12会受到压缩(拉伸)的应力，另一侧相对应的两个第一压敏电阻12会被拉伸受到(压缩)的应力，进而改变对应的X轴或Y轴上的四个第一压敏电阻12的阻值；当加速度在竖直方向时，腔体边缘的四个第一压敏电阻12，也即R_X1、R_X2、R_Y1、R_Y2会受到应力作用改变阻值。第一压敏电阻12变化会使得电桥输出电压为非0值，进而可得到三个方向的加速度值，即X轴方向的电压输出可表示为A_out1-A_out2，Y轴方向的电压输出可表示为A_out3-A_out4，Z轴方向的电压输出可表示为A_out1+A_out2+A_out3+A_out4。其中，为了得到最大的输出电压，相邻的两个第一压敏电阻12的压阻系数的符号可设置为相反。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述加速度传感器10还包括支撑边框14，所述质量块13位于所述支撑边框14的中心位置，所述质量块13具有四个边，每一边通过两个所述梁臂与所述支撑边框14固定。

本实施例中，支撑边框14可以采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术在SOI上形成，每一支撑梁11的一端与质量框连接，另一端与支撑边框14固定连接。其中，第一压敏电阻12中的R_X1、R_X2、R_Y1、R_Y2四个电阻设置在与对应梁臂固定连接的支撑边框14上，以完成对Z轴方向的加速度的检测。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述薄膜层120正对所述第一真空腔31的位置经过轻掺杂分别形成四个所述第二压敏电阻32，所述薄膜层120正对所述第一真空腔31的位置经过重掺杂分别形成用于将四个所述第二压敏电阻32连接成一惠斯通电路的第二导电部(图未示出)。

本实施例中，各第二压敏电阻32通过离子注入的方式进行轻掺杂形成，掺杂的材料可以是硼元素，或者磷元素。然后在薄膜层120相应的位置进行重掺杂，形成与各第二压敏电阻32导通的第二导电部。通过该第一导电部可以将各第一压敏电阻12的信号引出。其中，四个第二压敏电阻32分别标记为H_R1、H_R2、H_R3、H_R4。具体地，H_R1的一端和H_R2的一端均与电源端连接，H_R1的另一端与H_R4的一端连接，H_R1与H_R4的公共端标记为H_out+；H_R2的另一端与H_R3的一端连接，H_R2与H_R3的公共端标记为H_out-；H_R4的另一端与H_R3的另一端均与接地端连接。在薄膜层120上沉积的四个第二压敏电阻32H_R1、H_R2、H_R3和H_R4连成一惠斯通电桥，四个第二压敏电阻32的初始阻值可设置为相等(R0)。薄膜层120与衬底形成第一真空腔31，第一真空腔31可以采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术的方式进行刻蚀，具体可在衬底上形成一内腔，然后将薄膜层120覆盖在内腔的位置，使得薄膜层120之间构成了第一真空腔31结构。

覆盖在内腔上的薄膜层120与湿敏材料可作为对湿度敏感的感应膜，当外界湿度发生变化时，该湿敏材料会吸收周围环境中的水分子，造成自身的膨胀，从而使薄膜层120会感应发生相应的形变，湿度传感器30的工作原理具体为，当没有湿度被湿敏材料吸收而作用在薄膜层120上时，电桥的差分输出(H_out+与H_out-的差值)为0；当湿度被湿敏材料吸收，并作用在薄膜层120上使薄膜形变时，形变产生的应力作用在第二压敏电阻32上，使第二压敏电阻32的阻值发生改变(ΔR)，电桥的差分输出为非0值。其中，为了得到最大的输出电压，相邻的两个第二压敏电阻32的压阻系数的符号可设置为相反。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述薄膜层120正对所述第一真空腔31的位置经过轻掺杂分别形成四个所述第三压敏电阻42，所述薄膜层120正对所述第一真空腔31的位置经过重掺杂分别形成用于将四个所述第三压敏电阻42连接成一惠斯通电路的第三导电部(图未示出)。

本实施例中，各第三压敏电阻42通过离子注入的方式进行轻掺杂形成，掺杂的材料可以是硼元素，或者磷元素。然后在薄膜层120相应的位置进行重掺杂，形成与各第三压敏电阻42导通的第二导电部。通过该第一导电部可以将各第一压敏电阻12的信号引出。其中，四个第三压敏电阻42分别标记为P_R1、P_R2、P_R3、P_R4。具体地，P_R1的一端和P_R2的一端均与电源端连接，P_R1的另一端与P_R4的一端连接，P_R1与P_R4的公共端标记为P_out+；P_R2的另一端与P_R3的一端连接，P_R2与P_R3的公共端标记为P_out-；P_R4的另一端与P_R3的另一端均与接地端连接。在薄膜层120上沉积的四个第三压敏电阻42P_R1、P_R2、P_R3和P_R4连成一惠斯通电桥，四个第三压敏电阻42的初始阻值可设置为相等(R0)。薄膜层120与衬底形成第一真空腔31，第一真空腔31可以采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术的方式进行刻蚀，具体可在衬底上形成一内腔，然后将薄膜层120覆盖在内腔的位置，使得薄膜层120之间构成了第一真空腔31结构。

覆盖在内腔上的薄膜层120可以作为压力敏感的感应膜，当外界压力发生变化时，薄膜层120会感应外界压力的变化并发生相应的形变，气压传感器40的工作原理具体为，当没有气压作用在薄膜层120上时，电桥的差分输出(P_out+与P_out-的差值)为0；当外界气压作用在薄膜层120上时，由于腔内外存在气压差，会使薄膜形变，形变产生的应力作用在第三压敏电阻42上，使第三压敏电阻42的阻值发生改变(ΔR)，电桥的差分电压值输出为非0值。其中，为了得到最大的输出电压，相邻的两个第三压敏电阻42的压阻系数的符号可设置为相反。

可以理解的是，上述在SOI晶圆100上进行刻蚀、重掺杂、轻掺杂等工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体赘述。此外，质量块13、第一真空腔31及第二真空腔41的制备还可以采用其他工艺方法来实现，在此不做限制。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述集成传感器MEMS芯片还包括覆盖在薄膜层120上的钝化层140；

所述湿敏材料(图未示出)设置在钝化层140上，且对应所述第一真空腔31的位置设置；

或者，所述湿敏材料设置在钝化层140与所述薄膜层120之间，所述湿敏材料对应所述第一真空腔31的位置设置。

本实施例中，为了保护薄膜层120，在所述薄膜层120的外壁，也即背离所述埋氧化层130的一侧，还覆盖有一层钝化层140。钝化层140可以选用本领域技术人员所熟知的氮化硅材质，其可通过沉积的方式形成在薄膜层120上，在此不再具体说明。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述钝化层140上还设置有用于将第一导电部、第二导电部和第三导电部露出的开窗(图未标示)，

在所述开窗的位置形成有第一焊盘150、第二焊盘160和第三焊盘170，所述第一焊盘150与所述第一导电部连接，所述第二焊盘160与所述第二导电部连接，所述第三焊盘170与所述第三导电部连接。

本实施例中，为了将各惠斯通电桥的电压信号引出，在钝化层140还设置有开窗，以将钝化层140底下的各导电部露出，在所述开窗的位置形成与第一导电部和第二导电部分别连接的第一焊盘150、第二焊盘160和第三焊盘170，该焊盘可用于芯片与外部电路结构的连接，也可以用于在封装时与芯片引脚的电连接，其中焊盘的设置属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述薄膜层120对应所述第一真空腔31的位置还设置有多个用于实现所述第一真空腔31与外界连通的通孔34。

本实施例中，为了使第一真空腔31与外界连通，在薄膜层120上设置有连通用于实现所述第一真空腔31与外界连通的通孔34。其中，通孔34可以通过刻蚀的工艺在薄膜层120上形成。

参照图1至图7，在一可选实施例中，所述集成传感器MEMS芯片还包括设置于所述SOI晶圆100底部的第二衬底180，所述SOI晶圆100与所述第二衬底180键合形成一体。

其中，所述第二衬底180为玻璃衬底或者硅衬底。

基于上述实施例，在制备质量块13、第一真空腔31和第二真空腔41时，可以在第一衬底110背离埋氧化层130的一侧采用深反应离子刻蚀的技术形成凹槽，再通过第二衬底180围合形成质量块13和第一真空腔31及第二真空腔41，以简化加速度传感器10和气压传感器40的制备工艺步骤。

本实用新型还提出一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的集成传感器MEMS芯片。该集成传感器MEMS芯片的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本实用新型电子设备中使用了上述集成传感器MEMS芯片，因此，本实用新型电子设备的实施例包括上述集成传感器MEMS芯片全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述集成传感器MEMS芯片包括：

SOI晶圆，所述SOI晶圆包括第一衬底、覆盖在所述第一衬底上的薄膜层以及夹设在所述第一衬底与所述薄膜层之间的埋氧化层；

形成于所述SOI晶圆上的加速度传感器、温度传感器、湿度传感器及气压传感器；其中，

所述加速度传感器包括：形成于所述薄膜层上的支撑梁、位于所述支撑梁上的多个第一压敏电阻、形成于所述第一衬底上的质量块，所述质量块通过形成在所述埋氧化层上的连接部与所述支撑梁连接；多个所述第一压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路；

所述温度传感器包括：在所述薄膜层上经掺杂形成的PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管；

所述湿度传感器包括：形成于所述第一衬底上的第一真空腔、形成于所述薄膜层的多个第二压敏电阻，所述薄膜层与所述第一真空腔正对位置涂抹有湿敏材料，以形成感湿层；多个所述第二压敏电阻对应所述第一真空腔的位置设置，多个所述第二压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路；

所述气压传感器包括：形成于所述第一衬底上的第二真空腔、形成于所述薄膜层的多个第三压敏电阻，多个所述第三压敏电阻对应所述第二真空腔的位置设置；多个所述第三压敏电阻连接，并被构成惠斯通电路。

2.如权利要求1所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，在所述支撑梁包括八个梁臂，每一所述梁臂上经过轻掺杂形成一所述第一压敏电阻，每一所述梁臂上经过重掺杂形成用于将各所述第一压敏电阻连接成一惠斯通电路的第一导电部。

3.如权利要求1所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过轻掺杂分别形成四个所述第二压敏电阻，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过重掺杂分别形成用于将四个所述第二压敏电阻连接成一惠斯通电路的第二导电部。

4.如权利要求1所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过轻掺杂分别形成四个所述第三压敏电阻，所述薄膜层正对所述第一真空腔的位置经过重掺杂分别形成用于将四个所述第三压敏电阻连接成一惠斯通电路的第三导电部。

5.如权利要求4所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述集成传感器MEMS芯片还包括覆盖在薄膜层上的钝化层；

所述湿敏材料设置在钝化层上，且对应所述第一真空腔的位置设置；

或者，所述湿敏材料设置在钝化层与所述薄膜层之间，所述湿敏材料对应所述第一真空腔的位置设置。

6.如权利要求5所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述钝化层上还设置有用于将第一导电部、第二导电部和第三导电部露出的开窗，在所述开窗的位置形成有第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘，所述第一焊盘与所述第一导电部连接，所述第二焊盘与所述第二导电部连接，所述第三焊盘与所述第三导电部连接。

7.如权利要求1所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述薄膜层对应所述第一真空腔的位置还设置有多个用于实现所述第一真空腔与外界连通的通孔。

8.如权利要求1至7任意一项所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述集成传感器MEMS芯片还包括设置于所述SOI晶圆底部的第二衬底，所述SOI晶圆与所述第二衬底键合形成一体。

9.如权利要求8所述的集成传感器MEMS芯片，其特征在于，所述第二衬底为玻璃衬底或者硅衬底。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的集成传感器MEMS芯片。