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一种磁场传感器和制作工艺方法技术

技术编号:19731861 阅读:31 留言:0更新日期:2018-12-12 02:33
本发明专利技术公开了一种磁场传感器及其制作工艺,所述传感器包括第一硅片(1)和第二硅片(2),在所述第一硅片(1)上设置有一个呈立体结构的硅磁敏三极管,在所述第一硅片(1)和第二硅片(2)上分别设置一个聚/导磁微结构(4),其中,所述聚/导磁微结构(4)使得非磁敏感方向的磁场聚集和传导至硅磁敏三极管的磁敏感方向,以进行测量。本发明专利技术所述的磁场传感器,结构简单,体积小,集成化程度高,其制作工艺操作方便,易于实现,适合大规模工业应用。

【技术实现步骤摘要】
一种磁场传感器和制作工艺方法
本专利技术涉及传感器
,具体涉及一种测量非磁敏感方向磁场的磁场传感器及其制作工艺。
技术介绍
随着科学技术的迅速发展,空间磁场矢量测量的需求显著提升,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。在现代传感器技术中,用于磁场检测的磁敏感元器件均具有确定的磁敏感方向,可完成沿x轴(或y轴、或z轴)的单一方向磁场测量。若要实现同一种磁敏感元器件对多个方向磁场矢量测量,可通过磁敏感元器件的组合和封装,但存在尺寸大、集成化程度低等问题;若采用不同磁敏感元器件进行组合、封装,则存在磁灵敏度一致性差、磁灵敏度交叉干扰大等问题。因此,提供一种可以实现非磁敏感方向磁场的准确测量、体积小、集成化程度高的磁场传感器及其制作工艺,是目前亟需解决的问题。
技术实现思路
为了克服上述问题,本专利技术人进行了锐意研究,结果发现:在单晶硅上设置一个呈立体结构的硅磁敏三极管,并在硅磁敏三极管的两侧分别设置正向和反向聚/导磁微结构,使得聚/导磁微结构的导出磁场接近硅磁敏三极管的磁敏感区,且在聚/导磁微结构表面包裹由非磁性材料对内部磁场进行保磁,实现了对非磁敏感方向的磁场的聚集、高效传导和高精度检测,且该磁场传感器的体积小、集成化程度高,从而完成了本专利技术。具体来说,本专利技术的目的在于提供以下方面:第一方面,提供了一种磁场传感器,其中,所述传感器包括第一硅片1和第二硅片2,在所述第一硅片1上设置有一个呈立体结构的硅磁敏三极管,在所述第一硅片1和第二硅片2上分别设置一个聚/导磁微结构4,其中,所述聚/导磁微结构4使得非磁敏感方向的磁场聚集和传导至硅磁敏三极管的磁敏感方向,以进行测量。其中,在所述第一硅片1的上表面、下表面以及第二硅片2的下表面均设置有二氧化硅层3,优选地,所述二氧化硅层3的厚度为300~600nm。其中,在所述第一硅片1的上表面制作有集电区6和基区,和/或在所述第一硅片1的下表面相对于集电区的位置制作有发射区7,优选地,所述集电区为n+型掺杂,基区为p+型掺杂,和/或所述发射区为n+型掺杂。其中,在所述第一硅片1的上表面、集电区6远离基区的一侧制作有集电极负载电阻RL,在第一硅片1的上表面、基区的一侧制作有基极负载电阻Rb,其中,所述集电极负载电阻RL和基极负载电阻Rb均为n-型掺杂。其中,在所述第一硅片1的上表面制作有正向聚/导磁微结构放置槽,用于正向放置聚/导磁微结构,在所述第二硅片2的下表面制作有反向聚/导磁微结构放置槽,用于反向放置聚/导磁微结构。其中,所述聚/导磁微结构4包括矩形台41和类梯形体42,其中,所述矩形台41的横截面平行于第一硅片1和第二硅片2的上下表面。其中,所述类梯形体42的长底边对应的底面为聚磁平面,与聚磁平面相交的四个平面均为曲面,两两相对设置,包括第一曲面、第二曲面、第三曲面和第四曲面,其中,所述第一曲面和第三曲面均与聚磁平面的长边相交,所述第二曲面和第四曲面均与聚磁平面的短边相交,优选地,所述第一曲面和第三曲面的曲率半径为5mm-10mm,和/或所述第二曲面和第四曲面的曲率半径为5mm-8mm。其中,所述聚/导磁微结构4包括芯体和包裹膜,其中,所述芯体由高磁导率材料制成,以聚集和传导磁场,和/或所述包裹膜为非磁性材料,以防止聚集的磁场流失;优选地,所述高磁导率材料的相对磁导率为100-180。第二方面,提供了第一方面所述磁场传感器的制作工艺,其中,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,在其双面生长二氧化硅层3;步骤2,在第一硅片1的下表面进行一次光刻,制作载流子复合区窗口,并进行深能级杂质掺杂,形成载流子高复合区R;步骤3,在第一硅片1的下表面、高复合区R的一侧进行二次光刻,制作发射区窗口,并注入离子进行n+型掺杂,形成高掺杂的发射区7;步骤4,清洗第二硅片2,采用键合工艺将第一硅片1与第二硅片2进行键合,优选地,将第一硅片1的下表面与第二硅片2的上表面进行键合;步骤5,在键合后,对第一硅片1的上表面进行工艺减薄、抛光和清洗处理;步骤6,在减薄后的第一硅片1的上表面进行第三次光刻,分别刻蚀集电区窗口、集电极负载电阻掺杂窗口和基极负载电阻掺杂窗口,然后在集电区窗口进行n+型掺杂,在集电极负载电阻掺杂窗口和基极负载电阻掺杂窗口进行n-型掺杂,形成集电区6、集电极负载电阻RL和基极负载电阻Rb;步骤7,在第一硅片1的上表面进行第四次光刻,通过深槽刻蚀制作基区腐蚀坑和正向聚/导磁微结构放置槽,然后在基区腐蚀坑中进行p+型掺杂,形成基区;步骤8,在第一硅片1的上表面进行第五次光刻,刻蚀引线孔,然后进行真空蒸镀金属薄膜,并在金属薄膜的表面进行反向刻蚀,分别形成集电极C、基极B和互连线;步骤9,在第二硅片2的下表面进行第六次光刻,刻蚀发射区引线结构5和反向聚/导磁微结构放置槽,然后在发射区引线结构5的表面进行真空蒸镀金属薄膜,形成金属引线;步骤10,进行合金化处理形成欧姆接触,得到所述磁场传感器。其中,在步骤10之后,还包括以下步骤:步骤11,采用激光切割及MEMS技术加工高磁导率材料得到聚/导磁微结构4的芯体,然后在芯体的外部设置非磁性材料包裹膜,制备得到聚/导磁微结构4;步骤12,将上述制备得到的聚/导磁微结构4分别嵌入第一硅片1上表面的正向聚/导磁微结构放置槽和第二硅片2下表面的反向聚/导磁微结构放置槽中;步骤13,对上述嵌入聚/导磁微结构的磁场传感器进行无磁化封装。本专利技术所具有的有益效果包括:(1)本专利技术所提供的磁场传感器,结构简单、体积小、集成化程度高;(2)本专利技术所提供的磁场传感器,通过分别将两个聚/导磁微结构正向和反向设置在硅片上,能够将z轴非磁敏感方向的磁场进行聚集和传导至磁敏感器件(硅磁敏三极管)的有效磁敏感方向(x轴或y轴),进而实现测量;(3)本专利技术所提供的磁场传感器,将聚/导磁微结构镶嵌在距离硅磁敏三极管磁敏感区10~50μm的位置,有利于减少被检测磁场在传导过程中的衰减,进一步提高磁场的检测精度,尤其对磁信号较弱的磁场,能够增大检测灵敏度;(4)本专利技术所提供的磁场传感器,所述聚/导磁微结构的聚磁平面的面积大于磁场导出平面的面积,能够有效聚集磁力线、增强磁场以及提高磁灵敏度,可以减少磁力线损失;(5)本专利技术所提供的磁场传感器,在聚/导磁微结构的芯体外部设置非磁性材料的包裹膜,能够有效降低漏磁,提高对待检测磁场的传导效率;(6)本专利技术所提供的磁场传感器的制作工艺,操作方便,易于实现,适合大规模工业应用。附图说明图1示出本专利技术所述磁场传感器的整体结构示意图;图2示出本专利技术所述磁场传感器的等效电路图;图3a示出本专利技术所述聚/导磁微结构聚集和传导正向磁场的示意图;图3b示出本专利技术所述聚/导磁微结构聚集和传导反向磁场的示意图;图4-1~图4-8示出本专利技术所述制作工艺的过程图;图5-1~5-4示出本专利技术实验例1所述的传感器的I-V特性曲线图。附图标号说明:1-第一硅片;2-第二硅片;3-二氧化硅层;4-聚/导磁微结构;41-矩形台;42-类梯形体;5-发射区引线结构;6-集电区;7-发射区;B+z-z轴正向磁场;B-z-z轴反向磁场;B-基极;C-集电极;E-发射极;R-复合区;Rb-基极负载电阻;RL-集电极负载电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁场传感器,其特征在于,所述传感器包括第一硅片(1)和第二硅片(2),在所述第一硅片(1)上设置有一个呈立体结构的硅磁敏三极管,在所述第一硅片(1)和第二硅片(2)上分别设置一个聚/导磁微结构(4),其中,所述聚/导磁微结构(4)使得非磁敏感方向的磁场聚集和传导至硅磁敏三极管的磁敏感方向,以进行测量。

【技术特征摘要】
1.一种磁场传感器,其特征在于,所述传感器包括第一硅片(1)和第二硅片(2),在所述第一硅片(1)上设置有一个呈立体结构的硅磁敏三极管,在所述第一硅片(1)和第二硅片(2)上分别设置一个聚/导磁微结构(4),其中,所述聚/导磁微结构(4)使得非磁敏感方向的磁场聚集和传导至硅磁敏三极管的磁敏感方向,以进行测量。2.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,在所述第一硅片(1)的上表面、下表面以及第二硅片(2)的下表面均设置有二氧化硅层(3),优选地,所述二氧化硅层(3)的厚度为300~600nm。3.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,在所述第一硅片(1)的上表面制作有集电区(6)和基区,和/或在所述第一硅片(1)的下表面相对于集电区的位置制作有发射区(7),优选地,所述集电区为n+型掺杂,基区为p+型掺杂,和/或所述发射区为n+型掺杂。4.根据权利要求3所述的磁场传感器,其特征在于,在所述第一硅片(1)的上表面、集电区(6)远离基区的一侧制作有集电极负载电阻(RL),在第一硅片(1)的上表面、基区的一侧制作有基极负载电阻(Rb),其中,所述集电极负载电阻(RL)和基极负载电阻(Rb)均为n-型掺杂。5.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,在所述第一硅片(1)的上表面制作有正向聚/导磁微结构放置槽,用于正向放置聚/导磁微结构,在所述第二硅片(2)的下表面制作有反向聚/导磁微结构放置槽,用于反向放置聚/导磁微结构。6.根据权利要求5所述的磁场传感器,其特征在于,所述聚/导磁微结构(4)包括矩形台(41)和类梯形体(42),其中,所述矩形台(41)的横截面平行于第一硅片(1)和第二硅片(2)的上下表面。7.根据权利要求6所述的磁场传感器,其特征在于,所述类梯形体(42)的长底边对应的底面为聚磁平面,与聚磁平面相交的四个平面均为曲面,两两相对设置,包括第一曲面、第二曲面、第三曲面和第四曲面,其中,所述第一曲面和第三曲面均与聚磁平面的长边相交,所述第二曲面和第四曲面均与聚磁平面的短边相交,优选地,所述第一曲面和第三曲面的曲率半径为5mm-10mm,和/或所述第二曲面和第四曲面的曲率半径为5mm-8mm。8.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,所述聚/导磁微结构(4)包括芯体和包裹膜,其中,所述芯体由高磁导率材料制成,以聚集和传导磁场,和/...

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

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