一种单片集成空间磁矢量传感器制造技术

本实用新型专利技术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(Bx、By和Bz)的检测。本实用新型专利技术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。

A monolithic integrated space vector sensor

The utility model discloses a monolithic integrated space magnetic field sensor and its fabrication process. The sensor comprises a first silicon wafer (1) as a device layer and a second silicon wafer (2) as a substrate. Six silicon magnetic transistors with three-dimensional structure are arranged on the first silicon wafer (1), of which two silicon magnetic transistors are combined. Three magnetic sensing units are formed, and the micro-structure of magnetic conductivity is embedded in the chip by using the technology of MEMS to gather and guide the magnetic field in z-axis direction, so that the sensor can detect the three-dimensional magnetic field (Bx, By and Bz) in space. The monolithic integrated space magnetic vector sensor of the utility model has simple structure, realizes the miniaturization and integration of the chip, and the manufacturing process is simple and easy to realize, and is suitable for large-scale industrial applications.

【技术实现步骤摘要】
一种单片集成空间磁矢量传感器
本技术涉及传感器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，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(Bx、By和Bz)的检测，从而完成本技术。本技术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RL1和集电极负载电阻三RL3，构成第一磁敏感单元MSE1，用于x轴方向磁场(Bx)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RL2和集电极负载电阻四RL4，构成第二磁敏感单元MSE2，用于y轴方向磁场(By)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RL5和集电极负载电阻六RL6，构成第三磁敏感单元MSE3，用于z轴方向磁场(Bz)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。本技术第二方面提供了一种本技术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。本技术第三方面提供了一种单片集成空间磁矢量传感器，优选采用本技术第二方面所述制作工艺得到。附图说明图1示出本技术所述单片集成空间磁矢量传感器的俯视示意图；图2示出本技术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示出本技术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-硅磁敏三极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。

【技术特征摘要】
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(RL1)和集电极负载电阻三(RL3)，构成第一磁敏感单元(MSE1)，用于x轴方向磁场(Bx)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(RL2)和集电极负载电阻四(RL4)，构成第二磁敏感单元(MSE2)，用于y轴方向磁场(By)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锋，白云佳，温殿忠，张洪泉，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23