專利名稱：一種多傳感器集成芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器芯片，特別涉及一種基于SOI技術(shù)的集溫度、壓力、濕度和加速度于一體的多傳感器集成芯片。
背景技術(shù)：
目前，隨著MEMS研究的不斷深入，以及其工藝的不斷成熟與完善，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具有非常成熟的技術(shù)方法研究和制作基于MEMS技術(shù)的分離器件和傳感器，包括壓力傳感器、加速度計(jì)、濕度和溫度傳感器在內(nèi)的各獨(dú)立傳感器，具有較好的研究基礎(chǔ)和代表性的產(chǎn)品。單個(gè)器件作為傳感器測(cè)量元件時(shí)，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)合發(fā)揮了巨大的作用，然而，在航空航天領(lǐng)域、軍事工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域以及手機(jī)行業(yè)等一些特定研究應(yīng)用領(lǐng)域，由于受到體積、重量以及功能的要求，越來(lái)越多地關(guān)注到在盡可能小的體積、盡量輕的重量上擁有盡量多的測(cè)量參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決傳統(tǒng)多傳感器的體積過(guò)大、重量過(guò)重的缺點(diǎn)，提供一種基于SOI技術(shù)的溫度、壓力、加速度和濕度傳感器于一體的MEMS集成多傳感器芯片，其具有體積微小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)以及多功能的特點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是，該芯片利用SOI技術(shù)的硅片制作，包.括硅膜，硅膜周邊的支撐硅基，硅懸臂梁，外圍的硅質(zhì)量塊和玻璃基底；硅膜，硅膜周邊的支撐硅基與玻璃底座通過(guò)陽(yáng)極鍵合，在玻璃基底和硅膜中間形成相對(duì)獨(dú)立的真空腔作為壓力敏感結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)硅膜上壓力測(cè)量電路將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓纬蓧毫鞲衅?；支撐硅基外圍單端固定的硅懸臂梁與外圍的硅質(zhì)量塊連接，形成三維加速度敏感結(jié)構(gòu)，通過(guò)硅懸臂梁上設(shè)置的X，Y，Z方向加速度測(cè)量電路將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，形成X，Y，Z方向加速度傳感器；外圍的質(zhì)量塊上還集成有濕度傳感器和溫度傳感器。
其中壓力和加速度傳感器都是使用多對(duì)擴(kuò)散電阻作為敏感元件來(lái)構(gòu)成惠斯登測(cè)量電橋電路測(cè)量外部壓力與加速度。在100晶面的硅片上，壓力傳感器和加速度傳感器的擴(kuò)散電阻條沿110或110晶向分布。壓力傳感器需要4個(gè)擴(kuò)散電阻構(gòu)成惠斯登測(cè)量電橋(如圖4)。三維加速度傳感器則需要12個(gè)擴(kuò)散電阻分別構(gòu)成三個(gè)惠斯登測(cè)量電橋測(cè)量X，Y，Z方向的加速度(如圖5，6，7)。溫度傳感器也采用擴(kuò)散電阻作為敏感元件(如圖8)。溫度傳感器的擴(kuò)散電阻設(shè)計(jì)于外圍的硅質(zhì)量塊上，同時(shí)溫度傳感器的擴(kuò)散電阻條沿100晶向或010晶向分布，以避免外部加速度與壓力的影響。濕度傳感器也位于外圍的硅質(zhì)量塊上，采用叉指狀鋁電極(15)與其上涂覆的濕敏材料(聚酰亞胺)(16)構(gòu)成。
本發(fā)明的多傳感器集成芯片由于采用了SOI技術(shù)，將溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和濕度傳感器集成在一塊芯片上，用一塊芯片就可得到盡量多的測(cè)量參數(shù)，而且解決了多傳感器各參量之間相互干擾的問(wèn)題。其體積小、重量輕，尤其在一些特定領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明多傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的芯片上集成的各傳感器電路示意圖；圖3本發(fā)明多傳感器芯片的仰視圖；圖4是壓力傳感器的測(cè)量電路圖；
圖5是X方向加速度測(cè)量電路圖；圖6是Y方向加速度測(cè)量電路圖；圖7是Z方向加速度測(cè)量電路圖；圖8是溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
上述圖中的標(biāo)號(hào)分別是1.壓力傳感器的硅膜，2.硅膜周邊的支撐硅基，3.加速度傳感器的硅懸臂梁，4.硅質(zhì)量塊，5.玻璃底座，6.壓力傳感器的真空腔，7.溫度傳感器，8.X方向加速度測(cè)量電路，9.Y方向加速度測(cè)量電路，10.Z方向加速度測(cè)量電路，11.壓力傳感器測(cè)量電路，12.濕度傳感器，13.SOI硅片的硅基底，14.SOI硅片的SiO2層，15.叉指狀鋁電極，16.濕敏材料。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細(xì)說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1～圖3，本發(fā)明的多傳感器集成芯片，該芯片利用SOI技術(shù)的硅片制作，包括硅膜1，硅膜周邊的支撐硅基2，硅懸臂梁3，外圍的硅質(zhì)量塊4和玻璃基底5。硅膜及其周邊的支撐硅基與玻璃底座通過(guò)陽(yáng)極鍵合，形成相對(duì)獨(dú)立的真空腔6作為絕對(duì)壓力傳感器的參考?jí)毫Γㄟ^(guò)外界氣壓與真空腔之間的壓力差作用于硅膜產(chǎn)生變形來(lái)測(cè)量外界壓力。同時(shí)在壓力傳感器的支撐硅基2的外圍，4個(gè)硅懸臂梁3分別被單端固定，外圍的硅質(zhì)量塊作為硅懸臂梁的加速度敏感質(zhì)量塊。當(dāng)外界的加速度改變時(shí)，質(zhì)量塊敏感加速度使硅懸臂梁變形來(lái)測(cè)量外界加速度。溫度傳感器7與濕度傳感器12分別位于外圍的硅質(zhì)量塊的兩側(cè)。溫度傳感器使用擴(kuò)散電阻的溫度效應(yīng)測(cè)量溫度的變化。濕度傳感器利用濕敏材料16吸水后介電常數(shù)的變化測(cè)量濕度的變化。在100晶面的硅片上，擴(kuò)散電阻沿110或110晶向分布時(shí)，壓阻系數(shù)為最大值，沿100或010晶向分布時(shí)，壓阻系數(shù)為最小值。壓力與加速度傳感器的擴(kuò)散電阻沿110或110晶向分布以獲得最大的壓阻效應(yīng)。溫度傳感器則為了避免應(yīng)力的影響而選擇沿100或010晶向分布的擴(kuò)散電阻。
參見(jiàn)圖4，壓力傳感器的測(cè)量電路11包括電阻Rp1、電阻Rp2、電阻Rp3和電阻Rp4組成惠斯登測(cè)量電橋。由于硅膜和玻璃底座之間的真空環(huán)境，使得壓力傳感器的硅膜在外部氣壓的作用下發(fā)生變形，這種變形導(dǎo)致分布在硅膜結(jié)構(gòu)邊緣的惠斯登測(cè)量電路的四個(gè)電阻發(fā)生變化，氣壓不同，引起壓力傳感器測(cè)量電路電阻變化不同，變化信號(hào)通過(guò)采用恒流源或恒壓源供電的惠斯登電橋轉(zhuǎn)化為輸出電壓，從而達(dá)到檢測(cè)氣壓的目的。
三維加速度傳感器通過(guò)如圖5，6，7的惠斯登測(cè)量電橋8、9、10將X，Y，Z方向的加速度轉(zhuǎn)化為輸出的電信號(hào)。當(dāng)外界產(chǎn)生加速度時(shí)，外圍的硅質(zhì)量塊將沿加速度方向產(chǎn)生慣性力，質(zhì)量塊的慣性力將導(dǎo)致相應(yīng)的懸臂梁產(chǎn)生變形。懸臂梁的變形通過(guò)測(cè)量電橋轉(zhuǎn)換為輸出的電信號(hào)。圖5，6，7中的電橋的連接方法可以避免X，Y，Z方向加速度輸出信號(hào)的相互的干擾。
參見(jiàn)圖8，為減少壓力和加速度應(yīng)力對(duì)溫度傳感器7的影響，溫度傳感器設(shè)計(jì)在外圍的硅質(zhì)量塊上，同時(shí)利用沿100或010晶向的擴(kuò)散電阻壓阻系數(shù)最小的特點(diǎn)，溫度傳感器的電阻條走向沿[100]和
方向設(shè)計(jì)成鋸齒型結(jié)構(gòu)。在一定摻雜濃度下，利用擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)測(cè)量外界的溫度。
圖9中，濕度傳感器12采用電容結(jié)構(gòu)，利用硅片上制備的叉指狀鋁電極15和其上涂覆的濕敏材料16(聚酰亞胺)組成。為提高濕度傳感器測(cè)量靈敏度，在濕度傳感器的叉指狀鋁電極之間涂覆一層濕敏(聚酰亞胺)薄膜材料，其厚度為單晶硅厚度(約1.5um)，作為濕度傳感器電容的介電材料。外界濕度發(fā)生變化時(shí)，介電材料聚酰亞胺吸收或排出水分，外界濕度大于濕度傳感器電容中的濕度時(shí)，介電材料聚酰亞胺吸收水分；反之，則排出水分。最終達(dá)到濕度平衡。濕度傳感器的電容可表示為C=ϵ0ϵrSd---(1)]]>其中d＝叉指狀電極之間的距離；S＝電容電極的面積；ε0＝真空介電常數(shù)，8.85pF/m；εr＝聚酰亞胺介電常數(shù)。
因此，通過(guò)檢測(cè)濕度傳感器在不同濕度下的電容輸出，即可達(dá)到檢測(cè)濕度的目的。
傳統(tǒng)的硅壓力傳感器、加速度傳感器的擴(kuò)散電阻用PN結(jié)隔離，當(dāng)溫度升高到120℃以上時(shí)，由于硅的雜質(zhì)能級(jí)向本征能級(jí)靠攏，PN結(jié)漏電流很大，而使敏感器件無(wú)法工作，從而造成穩(wěn)定性較差。本發(fā)明的集成多傳感器芯片應(yīng)用MEMS微加工技術(shù)的硅隔離SOI技術(shù)，將多個(gè)傳感器集成，解決了參量之間相互干擾的問(wèn)題，而且較傳統(tǒng)壓力傳感器、加速度計(jì)等具有較高的測(cè)量靈敏度和較強(qiáng)的輸出。
本發(fā)明的集成多傳感器芯片所用硅片為100mm、N型100晶向的雙面拋光片，電阻率為5～8Ω·cm，為了防止頂部硅層和襯底非晶化，襯底溫度控制在650℃時(shí)進(jìn)行氧離子注入，在此溫度下注入過(guò)程中造成非晶化的損傷會(huì)因退火而消除，從而保持頂部單晶硅層。在注入能量為200keV，氧離子注入劑量為1.8×1018cm-2條件下，可以得到上部硅層0.2u下0.3～0.4u的二氧化硅隔離層。在1300℃高溫條件下退火6小時(shí)，頂部硅全部從氧化物沉淀中脫出，頂部硅層與隱埋氧化層界面呈現(xiàn)出原子級(jí)陡峭，并且?guī)缀蹩梢韵⑷脒^(guò)程中包括晶格缺陷在內(nèi)的所有缺陷。為得到較好的SOI材料質(zhì)量，退火時(shí)在添加了0.5～2％氧氣的氬氣中進(jìn)行，氧的存在會(huì)使硅層上表面生長(zhǎng)一層氧化硅，以防止在高溫純氬氣中退火時(shí)硅表面出現(xiàn)凹坑。用LPCVD方法外延并得到滿足壓阻效應(yīng)的單晶硅層厚度(大約1.5～2u)和上層0.1～0.3u的氮化硅應(yīng)力匹配層和保護(hù)層。以SOI硅片為基礎(chǔ)，壓力傳感器、三自由度加速度傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器進(jìn)行集成。
權(quán)利要求
1.一種多傳感器的集成芯片，其特征在于，該芯片利用SOI技術(shù)的硅片制作，包括硅膜(1)，硅膜周邊的支撐硅基(2)，硅懸臂梁(3)，外圍的硅質(zhì)量塊(4)和玻璃基底(5)；硅膜，硅膜周邊的支撐硅基與玻璃底座通過(guò)陽(yáng)極鍵合，在玻璃基底(5)和硅膜(1)中間形成相對(duì)獨(dú)立的真空腔(6)作為壓力敏感結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)硅膜上壓力測(cè)量電路(11)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓纬蓧毫鞲衅?；支撐硅?2)外圍單端固定的硅懸臂梁(3)與外圍的硅質(zhì)量塊(4)連接，形成三維加速度敏感結(jié)構(gòu)，通過(guò)硅懸臂梁(3)上設(shè)置的X，Y，Z方向加速度測(cè)量電路(8)、(9)、(10)將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，形成X，Y，Z方向加速度傳感器；外圍的質(zhì)量塊(4)上還集成有濕度傳感器(12)和溫度傳感器(7)。
2.如權(quán)利要求1所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述濕度傳感器由叉指狀鋁電容和其上涂覆的濕敏材料組成。
3.如權(quán)利要求2所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述濕敏材料為聚酰亞胺。
4.如權(quán)利要求1所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述溫度傳感器由分布的鋸齒型擴(kuò)散電阻構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述壓力傳感器的測(cè)量電路包括設(shè)置在硅膜四邊上的電阻Rp1，電阻Rp2、電阻Rp3和電阻Rp4組成惠斯登測(cè)量電橋。
6.如權(quán)利要求1所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述X方向加速度的測(cè)量電路包括電阻Rx1，電阻Rx2、電阻Rx3和電阻Rx4組成惠斯登測(cè)量電橋。
7.如權(quán)利要求1所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述Y方向加速度的測(cè)量電路包括電阻Ry1，電阻Ry2、電阻Ry3和電阻Ry4組成惠斯登測(cè)量電橋。
8.如權(quán)利要求1所述的多傳感器的集成芯片，其特征在于，所述Z方向加速度的測(cè)量電路包含電阻Rz1，電阻Rz2、電阻Rz3和電阻Rz4組成惠斯登測(cè)量電橋。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SOI技術(shù)多傳感器集成芯片，包括硅懸臂梁，硅膜，硅膜周邊的支撐硅基，外圍的硅質(zhì)量塊和玻璃基底。硅膜，硅膜周邊的支撐硅基與玻璃底座結(jié)合，在芯片中間形成相對(duì)獨(dú)立的真空環(huán)境作為壓力傳感器；單端固定的硅懸臂梁結(jié)構(gòu)與外圍的硅質(zhì)量塊連接，形成三維加速度傳感器(X，Y，Z方向加速度)；外圍的質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)上集成有濕度傳感器和溫度傳感器。本發(fā)明的集成多傳感器芯片采用SOI技術(shù)，將溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和濕度傳感器集成在一塊芯片上，解決了多傳感器各參量之間相互干擾的問(wèn)題，其體積小、重量輕，尤其在航空航天領(lǐng)域、軍事工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域以及手機(jī)行業(yè)等特定領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01D21/02GK1715838SQ200510042880
公開(kāi)日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者趙玉龍, 蔣莊德, 徐敬波, 周建發(fā), 孫劍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)