（微电子学与固体电子学专业论文）mosfets力磁传感器集成化研究.pdf

中文摘要 中文摘要 多功能集成传感器以其体积小、重量轻及集成一体化等诸多优点具有广阔应用 领域。本文采用m e m s 工艺技术在n 型单晶硅片上腐蚀硅杯，再利用c m o s 工艺 技术在硅膜上的最大应力区范围内制作四个沟道互相平行的m o s f e t ，其中两个 p m o s f e t 置于硅敏感膜的径向位置，而另外两个p m o s f e t 置于硅敏感膜的横 向位置，将这四个p m o s f e t 集成在一个管芯上组成惠斯通电桥，当硅敏感膜受 压力时，硅膜发生微小变形，两个径向的p m o s f e t 沟道等效电阻阻值增大，两 个横向p m o s f e t 沟道等效电阻阻值减小，惠斯通电桥产生力敏输出。在距离源 极0 7 个沟道长度的位置引出霍尔输出电极，对单一m o s f e t 霍尔器件来说，在 垂直磁场作用下，沟道空穴在洛仑兹力作用下发生偏转，霍尔输出极产生霍尔输 出电压瞻，霍尔输出电压随磁感应强度改变而发生改变，实现对磁场的测量。 本文介绍了m o s f e t s 力磁传感器基本工作原理，并阐述了m o s f e t s 力磁 传感器的结构设计和制作工艺。在对m o s f e t s 力磁传感器的，矿特性、温度特性 进行了测试的基础上计算分析线性度、迟滞、重复性、灵敏度和精度等静态特性。 实验结果表明，m o s f e t s 力磁传感器的力敏灵敏度为1 1 5 m v 1 0 0 k p a ，力敏线性 度为1 3 6 f s ，力敏重复性为1 3 1 f s ，力敏迟滞为0 6 8 f s ，力敏精度为 3 5 f s ；磁敏灵敏度为5 0 6 m v 厂r ，磁敏线性度为o 0 2 f s ，磁敏迟滞为1 0 1 f - s ， 磁敏重复性为1 4 8 f s ，磁敏精度为1 8 f s ，均符合设计要求。 国内外对于压磁多功能传感器的集成一体化研究尚未见文献报道。本文针对 压力传感器与磁传感器集成一体化进行实验研究，研究结果表明本文设计的 m o s f e t s 力磁传感器技术方案是可行的且有广泛的应用领域。 关键词：m o s f e t ；压力传感器；磁传感器；多功能传感器 黑龙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t m u l t i s e n s o ri sl a 唱e l yu s e di nm a i l yf i e l df o ri t se x c e l l e ts m a l ls i z e ，l i g h tw e i 曲t a i l d p o w e ri n t e l l i g e n t f u n c t i o n i nt h i sp a p e r t h em u l t i s e n s o rm a d eb ym e m s t e c h n o l o g yh a l ss q u a r es i l i c o nf i l mw i t hf o u rp a r a j l e lnt y p em o s f e t s ，、h i c ha r ei nt h e s t r e s sf i e l d n l es e n s o rh a st w op 哆p ee q u i v a l e n tc h a n n e l 瞄i s 胁c e so fm o s f e t l o c a t ea tt l l el o n g i t l l d i n a lo r i e n t a t i o n ，a l l dt l l e0 t h e rt w ol o c a t ea tt h e 呦s v e r s e o r i e n t a t i o n t h e ym a k eu po fw h e a t s t o n eb r i d g e w h e nt l l ep r e s s u r e 印p l i e d ，t h ec a n 记r s d r i rr a t i oc h a n g ec o r r e s p o n d i n g ，帆ol o n g i t u d i n a lp 锣p ee q u i v a l e n tc h a r m e lr e s i s t a r i c e s o fm o s f e tt u mt 0b i g g e r ，t h eo t h e rt w ob e c o m es m a l l e r t h e nt h e r ei st h ev o l t a g e o u t p u t ，w h i c hc h a i l g e st h ep r e s s u r es i 髓a li n t o 也ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i cs i g l l 2 l 1 1 、o h a l lp o l e sa r ep l a c e db e s i d et h eg a t ea b o u ts c a l eo 7 ，f o rs i n g l em o sh a l le l e m e n t t h ec o n d u c t i v el a y e ri st h ee x h a u s t e dl a y e r w h e nt h ev e r t i c a lf i l e da p p l i e d ，t h eh a l l o u t p u tv o l t a g ev hi sp r o d u c e do nt h eo u t p u tp o l e s t h eo u t p u tv o l t a g ec h a n g e da st l l e i n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i l e dc h a n g e d i i lt 1 1 i sp a p e r m eb a s i cw o r kt h e o r ) ro f 1 em o s f e bp r e s s u r e m a g n e t i cs e n s o rw a s d i s c u s s e d ；t h em u c t u r ea i l dt i l ef a b r i c a t i o np r o c e s so fm em o s f e t sp r e s s u r e m a 鄹【e t i c s e n s o rw e r ed i s c d b l e d i l lt l l ee x p e r i m e mr e s u l t s ，m e 二yc h a r a c t e r i s t i c ，t e m p e r a t u r e c h a i a c t e r i s t i ca r et e s t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si r l d i c t a t et h a tm es e n s i t i v i 够o fm e p r e s s u r es e l l s o ri s1 1 5 m v l0 0 飞t h em a 口e t i cs e n s i t i v i t ) ，i s2 5 3 m v ，1 巴t 1 1 ep r e s s u 陀 l i n e a r i 够i s1 3 6 f s ，t l l em a g n e t i cl i n e 撕够i so 0 2 f s ；t h ep r e s s i l r el a gi so 。6 8 f 。s ，t h em a g n e t i cl a gi s5 0 6 f s ；t h ep r e s s u r er e p e a t a b i l i 锣i s1 31 f s ，t h em a g n e t i c r e p e a 协b i l i t yi s1 4 8 f s ；t h ep r e s s u r ep r e c i s i o ni s3 5 f s ，t h em a g e t i cp r e c i s i o ni s 1 8 f s t h em o s f e t s p r e s s u r e m a 印e t i cs e n s o rm e e t st l l ed e s i 印d e m a i l d t h e r ei sr a r e l yr e p o r ta b o u tt h ep r e s s u r e m a 印e t i cm u l t i - s e n s o ra b r o a da n di n t e m a l i n “sp a p e r ，也er e s e a r c ho ft h ep r e s s u r es e i l s 0 ra n dm a 酽i e t i cs e n s o ri n t e r 铲a t i n gi s 1 i a b s t r a c t v e um e a n i n g f u l i nt h ef i e l do f t h ei n t e 唱r a t i n go fs e n s o r s k e y w o r d s ：m o s f e t p r e s s u r es e n s o r ；m a g - s e n s o r ；m u l t i s e n s o r n 1 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 论文作者签名： 钟 签字日期：加眸f 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构交送论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权墨蕉江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名： 钮鲜 l 导师签名： 签字日期：瓣 占月1 日 签字日期：历侔月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第l 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 敏感元器件及传感器作为信息技术和信息系统的关键基础元器件和最前沿工 具，其技术水平直接影响检测控制系统及信息系统的技术水平，因此，传感器技 术在现代信息社会的作用将更加重要。传感技术赖以产生的基础涉及到电、磁、 光、声、热、力等功能效应和功能形态等原理，是能够将被测量( 物理量、化学量 和生物量等) 变换成可以测量的有用信号的一种装置。 近年来，由于m e m s ( 微电子机械系统) 技术的迅速发展，传感器的小型化、 多功能化、集成化已经成为传感器发展的方向。其中多功能传感器是传感器技术 中的一个新的发展方向。一般的单一传感器只能测量一个物理量，但在工业生产、 航空航天等领域，为了准确全面地认识对象或环境，以进一步进行控制，往往需 要同时测量多个物理量，因此在一个芯片上集成多种功能敏感元器件，使一个传 感器能同时测量几个参数，具有多种功能。这种多功能传感器不但体积小，重量 轻，而且功能强，采集的信息集中，便于进行信息处理。传感器的多种功能可以 由一个敏感元器件的不同物理( 或化学) 效应及其不同的特性来实现。随着传感器及 微加工技术的发展，人们可以在同一材料或硅片上制作几种敏感元器件，制成集 成化多功能传感器豫3 1 。 多功能传感器是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构 成传感器阵列，主要有三个方面的含义：一是将多个功能完全相同的敏感单元集 成制造在同一个芯片上，用来测量被测量的空间分布信息。二是对多个结构相同、 功能相近的敏感单元进行集成。集成化的第三层含义是指对不同类型的传感器进 行集成，例如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感 器h 1 。采用m e m s 技术研制的力磁多功能传感器对力传感器和磁传感器进行集成， 可以实现对压力和磁的检测。 随着各国科学家在新型材料、新的加工技术等各方面广泛、深入的研究，多 黑龙江大学硕士学位论文 功能集成传感器将迅速发展，变得成熟、完善，并将在航天、工业自动化、机器 人、医疗、环境监测等各个领域得到广泛应用岿1 。 1 2m o s f e t s 力磁传感器的技术基础 微电子机械系统包括微传感器和微执行器。许多公司都是以压力传感器的开 发作为进入微机械领域的尝试。展望二十一世纪初期的一、二十年，m e m s 技术 将会有更大的发展，新原理、新功能、新结构的微传感器、微执行器、微型机构 以及微系统将会不断出现【6 1 。m e m s 究竟能以多快的速度出现在新产品的主流应用 中，尽管业界对此还没有一致的意见，但在频率组件中以m e m s 谐振器取代石英 晶体等先进应用领域中，己为产业带来一种m e m s 时代已经到来的新希望盯1 。 1 2 1m e m s 技术的基本概念 微电子机械加工系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，英文缩写为m e m s ， 是微电子技术与机械加工技术结合的成功典范。m e m s 技术特点可由3 个m 概括： 即小尺寸( m i n i a t u r z a t i o n ) 、多样化( m u l t i p l i c i t ) r ) 、微电子( m i c r oe l e c t m i l i c s ) 。 m e m s 技术的主要技术途径有三种：一是以美国为代表的以集成电路加工技 术为基础的硅微加工技术；二是以德国为代表发展起来的l i g a 技术( 包括x 射 线深度光刻、微电铸和微塑铸等加工工艺) ；三是以日本为代表发展起来的精密加 工技术。 在微小尺寸范围内，机械依据其特征尺寸可以划分为1 1 0 毫米的小型机械，l 微米一l 毫米的微型机械以及l 纳米1 微米的纳米机械。所谓m e m s 从广义上包括 了微型机械和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指采用微机械加工技术可以批 量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接 口等于一体的微型器件和微型系统。 1 2 2m e m s 技术的基本特点 具体而言，m e m s 微电子机械系统十分有效地将微电子技术与微机械技术结 合，赋予了传统机械新的特性。m e m s 技术的基本特点有哺1 ： 第l 章绪论 ( 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、精度高、重量轻、耗能低、惯性小、响应 时间短。其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克； ( 2 ) 以硅为主要材料，机械电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量 与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨； ( 3 ) 能耗低、灵敏度和工作效率高：很多的微机械装置所消耗的能量远小于 传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作； ( 4 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微机 械部件或完整的m e m s ，批量生产可以大大降低生产成本； ( 5 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感和致动方向的多个传感器或执行器 集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把器件集成在一起以 形成更为复杂的微系统。微传感器、执行器和i c 集成在一起可以制造出高可靠性 和高稳定性的m e m s ； ( 6 ) 学科上的交叉综合：以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子 学、机械学、力学、自动控制学、材料学等多种工程技术和学科； ( 7 ) 应用上的高度广泛：m e m s 的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、 电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的 性能提高、成本降低，有力地改造传统产业。 1 2 3m e m s 技术的加工工艺 m e m s 技术是制作微传感器与微执行器的工艺技术，包括微电子技术和微机 械加工技术。微机械加工技术又可分为体微机械技术和表面微机械技术、l i g a 技 术和准l l g a 技术等。 ( 1 ) 体微机械加工技术 加工对象以体硅( 单晶) 为主，加工厚度为几十微米到几百微米，主要技术为腐 蚀技术和键合技术。其中腐蚀技术主要以硅各向异性化学腐蚀技术、硅各向同性 腐蚀技术和等离子刻蚀技术应用的比较广泛。 硅各向异性腐蚀就是基于硅单晶的不同晶向的物理化学性质不同，而使某些 黑龙江大学硕士学位论文 化学腐蚀液对不同晶向硅的腐蚀速率不同，即腐蚀速率存在各向异性净。 固相键合技术是不用液态的粘接剂，而将两块相似或不相似的固态材料键合 在一起，且键合过程中材料始终处于固相状态的方法，它相当于传统机械加工中 的焊接、粘接或紧固作用。目前广泛用的固相键合技术分为硅一玻璃静电键合和 硅一硅直接键合两种。 ( 2 ) 表面微机械处理技术：表面微机械处理技术一般是采用光刻等手段使得 硅片等表面淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形。然后去除某些不需 要的薄膜层，从而形成三维结构。由于主要是对表面的些薄膜进行加工，而且 形状控制主要采用平面二维方法，因此被称为表面机械处理技术。 ( 3 ) l i g a 技术 l i g a 技术( 德文l i t h o 伊印hg a l v a n f o m u n ga n da b f o n n u g 的简写) ，即为深层刻 蚀技术、微电铸和微塑铸射。l i g a 技术最初是为了批量生产微型机械部件，但它 的厚膜光刻和电镀成型工艺也为m e m s 技术提供了有利的新手段，因此在8 0 年 代问世受到了很大重视。为了加工可动微机械部件，又移植了牺牲层技术。 ( 4 ) 准l i g a 技术 准l i g a 技术是改进的l i g a 技术3 1 ，采用传统的深紫外线曝光、厚型光刻胶 ( 或其它聚合物) 作掩膜，以及金属材料的电铸工艺，可制备厚度数微米至数十微米 的微结构，与i c 工艺兼容，尤其适于同芯片集成的后续传感器与微机械结构的制 备。 ( 5 ) 其它微结构加工工艺 除了上述四种加工工艺之外，还有许多的制作微结构的工艺，例如：放电加 工、微细电火花加工( e d m ) 、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、 电子束加工、立体光刻成形和微型立体加工技术等，这些技术是根据微机械的需 要发展起来的，各自具有自身的特点，是上述四种基本技术的补充。 第l 章绪论 1 3 压力传感器研究现状及发展趋势 1 3 1 压力传感器研究进展 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以 分为四个阶段( 1 ) 发明阶段( 1 9 4 5 1 9 6 0 年) ：这个阶段主要是以史密斯( c s s m i t h ) 于 1 9 4 5 发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显 发生变化。压阻效应广泛引用于压力传感器、加速度计、陀螺仪、气体传感器及 原子力显微镜n 竹1 。( 2 ) 技术发展阶段( 1 9 6 0 1 9 7 0 年) ：随着硅扩散技术的发展，技术 人员在硅的( 0 0 1 ) 或( 1 1 0 ) 晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后 在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器 具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点。( 3 ) 商 业化集成加工阶段( 1 9 7 0 1 9 8 0 年) ：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性 的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各向异性腐蚀技术为主，发展成为 可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术n 引。由于可以在多个表面同时进行 腐蚀，数干个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一 步降低。( 4 ) 微机械加工阶段( 1 9 8 0 年今) ：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械 加工工艺成为可能。利用这一技术可以加工、刻蚀微米级的沟、条、膜，使得压 力传感器进入了微米阶段。随着集成化传感器的兴起，m o s 力敏传感器以其可集 成化优势渐趋首位。当m o s 沟道受压后，载流子的偏移可引起相应漏源电流改变， 同时m o s 晶体管的压阻系数与力敏特性可与扩散电阻相媲美n 2 。 2 0 0 6 年巴西c 锄p i n a s 大学电子计算工程中心t o rg a r c i a 位2 1 等人研制出一种 利用与c m o s 兼容的机械压力敏感差分放大器制作的低功耗压力传感器( 如图 1 1 、l 一2 ) 。基于m o s 压力效应，并使用机械抛光技术代替传统的各向异性体微机 械腐蚀技术来获得薄膜。传感器核心为一个p m o s 压敏差分管，灵敏度可达到8 9 0 m v p s i ，电源功耗3 u w 。 黑龙江大学硕士学位论文 图11 筹分m o s 压力传感器愀1 f i p 1 1d i 什e r e n t i a lm o sn r e s s u r es e n s n r f 星 宝 吕 里 2 与 9 o 图卜2 压力与输出电胍天系曲线心2 1 f i g 1 2t h cr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s sa n do u t p u t v 0 1 t a g e 2 0 0 1 年厦门大学机电工程系的颜黄萼等人研制出一种m 0 s 场效应管 ( m o s f e t ) 压力微传感器的结构，该传感器的信号变换装筲l 卜是采川了金属一氧化 物一半导体场效应管的固有电容特性。m 0 s f e t 以p 型硅为衬底，把源扩散区和 漏扩散区做上欧姆接触，并引出电极引线，形成源极和漏极。栅极与氧化物层之 间有一个空气问隙。栅极夹在两个p e c v d 制作的s i 3 n 。的小型薄膜绝缘层之间， 形成一个可动的膜片( 如图l 一3 ) 。当压力施加j i 膜1 1 时，膜片发乍变形，并引起 栅极电容的变化，而漏极电流和开启电压也将发生变化心，随着作用于栅极膜片 的压力的增大，漏极电流也随之增大完成对力的检测，如图1 4 。 图卜3m o s 场效应管压力传感器结构心驯 f i g 1 3m a g f e tp r e s s u r es e n s o rs c r u c t u r e 璃 掣 彰 覆 再。，3p j t 砸、 图1 4 压力刁漏极电流关系曲线【2 川 f i g 1 4t h er e i a c i o n s h i pb e t w e e np r e s sa n dd r a i n c u r r e n t 第1 章绪论 清华大学微电子学研究所岳瑞峰等人设计并制作出一种新型集成压力传感器 集成m o s 力敏运放压力传感器乜引。它将运算放大器中的一对p m o s 差分输入管 集中设置在n 型( 1 0 0 ) s i 膜片上的最大应力区， 并使它们的沟道方向相互垂直，运放中其它元件 全部集中设置在厚体硅上的低应力区。在压力作 用下，输入级m o s 管沟道中载流子迁移率发生 变化，运算放大器以其为输入信号而产生力敏输 出。这种压力传感器具有很高的压力响应灵敏 度，图1 5 给出了力敏运算放大器压力响应的测 试结果，图1 6 、1 7 给出了惠斯通压阻电桥的 压力响应测试结果。 压力 h 图l _ 6 力敏运算放大器的压力响应汹1 f i g 1 石n ep r e s s u r er e s p o n s eo fo p e r a t i o n 锄p l i f i e r p r e s s u r es e n s o r 名 、 蹬 萱 鲁 图卜5m o s 力敏运放压力传感器泓 f i g 1 5m o so p e r a t i o na m p l i f i e rp r e s s u r es e n s ( 葳j _ a 图卜7 惠斯通电桥的压力响应胁1 f 培1 - 7t h ep r e s s u r er e s p o n s eo f w h e a t s t o n e b r i d g e 爱尔兰国家微电子研究中心e h y n e s 等人瞄1 于1 9 9 9 年研制出一种利用c m o s 工艺制成的表面微机械场效应晶体管压力传感器( 如图1 8 、l 一9 ) 。其可在1 5 到 9 5 p s i 绝对压力下工作。该m o s 传感器结构由多晶硅形成一个真空腔，多晶硅作 为m o s 器件的栅极，真空腔为栅极的电介层，施加压力后多晶硅的变形可引起 m o s 器件漏极电流的改变。利用有限源分析软件a n s y s 确定薄膜的有效区和厚 度以及真空腔的高度。= 1 l v ，= 1 3 v 时，该m o s 传感器7 5 啪长的薄膜在 1 5 9 5 p s i 压强下的输出电流可从7 0 增至1 7 0 u a 。 黑龙江大学硕士学位论文 图卜8m o s 压力传感器照片1 f i g 1 8t h es e mo ft h ep r e s s u r es e n s o r 1 3 2 压力传惑器发展趋势和发展动向 0 卸知4 0加1 p r c u r ed 0 图卜9 压力与漏源电流关系曲线他副 f i g 1 9t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s sa n d d m i n s o u r s ec u 兀e n t 当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各行各业，但 归纳起来主要有以下几个趋势乜6 27 。：( 1 ) 小型化：同前市场对小型压力传感器的需 求越来越大，这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的 保养和维护，对周围的环境影响也很小；( 2 ) 集成化：压力传感器已经越来越多的 与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自 动化中可提高操作速度和效率；( 3 ) 智能化：由于集成化的出现，在集成电路中可 添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能； ( 4 ) 广泛化：压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展；( 5 ) 标 准化：传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。 1 4 霍尔传感器研究现状及发展趋势 1 4 1 霍尔传感器研究进展 霍尔效应1 8 7 9 年由美国物理学家e h 霍尔发现m 3 。自半导体材料问世以来， 采用半导体工艺制作的霍尔器件在磁场测定及非电量转换方面获得了大量的应 用。霍尔器件的制造工艺比较简单并且与集成电路制造工艺有很好的兼容性。 批 啪 蛳 抛 。 q ) t 叠 第1 章绪论 1 0 0 多年来，霍尔效应的应用经历了三个阶段刮：第一阶段是从霍尔效应的 发现到2 0 世纪4 0 年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效 应十分微弱，所以没有引起人们的重视。第二阶段是从2 0 世纪4 0 年代中期半导 体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体 霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元 件制造的各种磁场传感器、磁头、非接触开关、位置、速度、加速度传感器等， 应用十分广泛。第三阶段是自2 0 世纪6 0 年代开始，随着集成电路技术的发展， 出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器b 引。进 入2 0 世纪8 0 年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍 尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器。 普通霍尔器件通常是通过向半导体扩散或注入磷、硼或砷等杂质制作的，其 灵敏度取决于半导体和杂质的种类以及器件的几何尺寸等因素。另外，它工作时 电子和空穴共同参与导电，因此称为双极型器件。与普通霍尔器件构造不同，1 9 6 6 年r c g a l l a g h e r 嘲1 提出了m o s 霍尔器件的概念，如图1 1 0 。m o s 霍尔器件实际 上是一种带有两个霍尔电压输出端子的m o s 晶体管，对增强型器件而言当它的栅 极电压为高电平时可作为霍尔器件使用，当珞为低电平时它的端子间呈高阻状 态，无霍尔电压输出。理论上m o s 管仅电子或仅空穴参与导电，因此m o s 霍尔 器件是一种单极型器件。另外，m o s 霍尔器件导通时的导电层即为m o s 管的耗 图卜1 0m o s 垂直霍尔元件 f i g 1 lot h em o s v e r t i c a ih 【a l le l e m e n t 黑龙江大学硕士学位论文 尽层，其厚度d 约1 0 n m ，这比普通霍尔器件的导电层薄得多。由于霍尔电压 翰= r 加砌，即与导电层的厚度d 成反比，因此m o s 霍尔器件可望有较高的 灵敏度。利用硅制作的耗尽型m o s 霍尔器件的灵敏度可达1 0 0 0 v a t 。 19 9 7 年丹麦技术大学的f e n g n i n g m l 等人研制出漏极分立的m o s f e t ，漏极间 电流随施加到m o s f e t 上的磁场改变而改变。并加入一个以2 4 啪n 阱c m o s 工 艺制作的新型补偿电路和m a g f e t 层叠电路来提高灵敏度，图1 1 l 及1 1 2 分别 为分立漏极m o s 磁传感器的结构及其输出电压与磁场关系曲线。 图1 11 分立漏极m o s 磁传感器结构3 4 1 f i g 1 - 11s p l i t - d r a i nm o st 瑚s i s t o ra sam a g f e t 图1 1 2 输出电压与磁场关系曲线m 1 f i g 1 一l2t h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e no u t p u tv o l t a g e a n dm a g n e l i cf i l e d 瑞士洛桑微系统技术研究中心的h b l a n c l l a r d b 5 1 等人利用标准c m o s 工艺研制 出一种高灵敏度的霍尔器件，如图1 1 3 、1 1 4 。其椭圆形设计结构使灵敏度提高， 测量范围扩大并减小了整个芯片尺寸。该c m o s 传感器在偏压为4 v 时灵敏度为 2 1 v 厂r ，最小可检测0 2 u t 的磁场。 图1 1 3 椭圆型霍尔器件c m o s 剖面图 f i g 1 - l3e n i p s e l l lc m o ss e c t i o np i c t u r e 丛萄笛曲4 5朝 自蚋删_ 叮 明c 删日舯田 图1 1 4 输出电压与磁场关系曲线1 f i g 1 - l4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u t v o i t g ea n dm a g n e t i cf i e l d 孙雏曲曲鲍伸o ，三&-。；鼍it6 第l 章绪论 1 4 2 霍尔传感器发展趋势和发展动向 由于采用了微电子工艺，硅霍尔传感器能很好地适用于许多工业应用。在应 用领域方面，归纳起来主要有以下几个方面m 1 ： 1 、新的霍尔元件结构 常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件，且在整个霍尔元件上是均匀磁场。 而在其他情况，需要根据磁场分布情况，设计各种各样相应的非平面霍尔结构。 其中，垂直式霍尔器件是一种最近新发展出来的。这种垂直式霍尔片具有低噪声、 低失调和高稳定性的特点。 2 、微型化 瑞士联邦技术研究所最新研制的超小型三维霍尔传感器工作面不到 3 0 0 3 0 0 p m ，只有六个管脚。这种器件特别适合用于空间窄小的检测环境，例如电 动机中的间隙、磁力轴承以及其他象永磁体扫描等需接近测量表面的场合。 3 、高灵敏度 有一种高灵敏度霍尔传感器，它基于霍尔传感器原理，并且集成了磁通集中器。 产品的主要创新就在于利用了成熟的微电子集成工艺，制造低成本的磁通集中器。 这种集成化的磁通集中器的单元成本只占传感器成本的六分之一，传感器的检测 灵敏度却可提高五倍以上。 4 、高集成度 国外霍尔传感器的发展方向就是采用c m o s 技术的高度集成化，同样功能可 以集成在非常小的芯片内如信号预处理的最主要部分己在霍尔器件上完成l 矧， 其中包括前置放大失调补偿、温度补偿、电压恒定，并且可以在芯片上集成许多 附加功能，开辟了霍尔器件新的应用领域。 1 5 多功能传感器研究现状及发展趋势 混合实现多功能传感器系统，是各国科技界研究的热门课题之一。日本、美 国等国家已开发出在一块硅片上集成同时测量两个、三个甚至四个参量的多功能 传感器d 9 1 ，这种多功能传感器既降低了系统中传感器的重量，又可方便地采用信 1 1 黑龙江大学硕士学位论文 息融合技术，并且把更多的处理电路与传感器集成在一起，进一步简化了系统组 成，改善了系统性能。 m o t o r o l a 公司y b s h i h a m 、r o s h i i 等人报导的单片集成压力传感器“刚单片集成智 能传感器的典范。整个传感器系统制作在一个s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 晶片上，利 用s o i 晶片传感器的敏感元件放在二氧化硅介质的一边，集成电路放在其另一 边，很完美地将敏感元件与集成电路部分隔开，并在一个s o i 晶片上集成了压阻 式压力传感器，温度传感器。 美国密歇根大学k d w i s e 等人于1 9 9 9 年采用混合实现方法集成的一个用于 监测环境参数变化的高智能集成传感器系统h 剖。智能传感器系统可用于检测气压、 温度、湿度、以及振动等参量。 日本佐贺大学信太教授研究出利用热敏电阻器同时测量温度和风速h 3 1 同一个 热敏电阻器在不同大小电流的激励下表现出不同的特性，等价于不同特性的传感 器。他们采用具有负温度系数的热敏电阻器，加上一定电流值，电阻发热，达到 某一温度。当风吹热敏电阻器时，带走热量，使电阻器温度降低，电阻阻值增大。 降低的温度值与风速有确定的关系。从而完成温度与风速的测试。 2 0 0 4 年中国华北工学院的张文栋与石云波提出了一种以半导体压阻效应、极 间电容变化以及p n 结温度效应为基本原理的加速度、压力与温度多参数硅微复合 传感器。加速度传感器采用硅压敏原理，由微机电系统( m e m s ) 工艺加工的压阻式 加速度敏感头、高精度电桥放大器、温度补偿电路、输出饱和控制及输入输出接 口构成。压阻式m e m s 加速度感应头是由硅框架上的梁支撑的一块硅悬挂质量块 组成的硅微加速度计，当被支撑的硅块运动造成梁内的应力变化时，梁上的压敏 电阻发生变化。压力传感器采用对压力敏感的电容器。温度传感器利用了p n 结的 温度特性。传感器结构如图1 一1 5 所示“引。图1 1 6 为硅电容式压力传感器的结构， 其核心部件是一个对压力敏感的电容器。 第l 章绪论 a 卜1 p 澎一f 钢影： (、 l 一舶体诲溢窿传憋举：2 一们搜二3 一麓馈班： 4 一麓礓块：j 一贴墼；一畦驳二7 一丹克： 。一脏聃：9 一粳域班；o 一臻嵌：i 。一谢冀 图1 1 6 硅电容式压力传感器的结构川 图卜1 5 复合传感器的结构f i g 1 一1 6t l h es t m c t u r e o f s i l i c o n f i g 1 一l5t h es t r i j c t u r eo ft h em u l t i s e n s o rc 印a c i t a n c ep r e s s u r es e n s o r 美国韦恩州大学的y o n g x u 汹3 等人于2 0 0 5 年研制出一种利用m e m s 工艺制作 的多功能传感器集成芯片，可同时测量压力与温度。在芯片上沿一维方向排列五 个传感器簇，每个传感器簇由压力及温度传感器组成，图1 1 7 、1 1 8 分别为传感 器的显微图片及其压力特性校准曲线。 鬻瀚习 图1 1 7 ( a ) 一个传感器簇的显微照片m ( b ) 包含五个传感器簇的芯片h 副 f i g 1 17 ( a ) m i c r o 鲫ho fo n es e n s o rc l u s t e r ( b ) m i c r o g r a p ho fa m u l t i s e n s o r c h i pc o n t a i n i n gf i v es e n s o rc l u s t e r s s o 4 e 呈埘 夏7 0 吾一鼬 o o娜o 加1 2 。1 1 p r 。mc l p i j 图卜1 8 压力校准曲线1 f i g 1 一l8 t h ec a l i b r a t i o nc u r v eo fp r e s s u r e 近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学的发展，传感器技术飞速发展。 由于微电子技术和微机械加工技术发展，传感器必将向微型化、多功能化，智能 化和网络化方向发展m 1 。 l 、微型化 黑龙江大学硕士学位论文 微型化传感器主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高 以及成本低等优点。其核心技术是研究微电子和微机械加工与封装技术的巧妙结 合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。 2 、多功能化 由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的 新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不 相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传 感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装 在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。 3 、智能化 智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储， 而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。 4 、无线网络化 传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、 分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作完成实时监测、 感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通 过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 1 6 本章小结 本章介绍了m o s f e t s 力磁传感器的技术基础和国内外集成多种功能传感器 的研究现状。在工业生产、航空、国防、科研等领域，为了准确全面地认识对象 或环境，以进一步进行控制，往往需要同时测量多个物理量，因此在一个芯片上 集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感器元件，使一个传感器能同时测量 几个参数，具有多种功能的集成传感器迅速发展起来。多功能传感器不但体积小， 重量轻，而且功能强，采集的信息集中，便于进行信息处理。随着传感器及微加 工技术的发展，人们可以在同一材料或硅片上制作几种敏感元件，制成集成化多 功能传感器具有重要意义。 第2 童m o s f e t s 力，磁传感器的基本结构、工作原理 第2 章m o s f e t s 力磁传感器的基本结构、工作原理 多功能传感器能够转换两种以上的不同物理量。例如，把检测钠离子和钾离 子的敏感元器件集成在一个基片上，制成测量血液中离子成分的传感器：在同一 硅片上制作应变计和温度敏感元件，制成同时测量压力和温度的多功能传感器h 7 1 。 在测量科学中，压力和磁场是很频繁被测量的物理量，对于压力与磁场的测量 我们已经取得令人满意的程度，目前，已有文献报道压阻效应可应用于集成霍尔 片们3 ，八端电阻1 及场效应晶体管咖吲1 。然而将两者集成在同一芯片上来测量相对 来说就显得复杂的多。本设计采用m e m s 技术研制一种新型的多功能传感器，实 现对力与磁检测的集成一体化，该多功能传感器具有灵敏度高、制作工艺简单、 可与集成电路工艺兼容及可完成对力与磁的检测特点。 2 1m o s f e t s 力磁传感器版图设计 本文设计采用m e m s 工艺技术在p 型单晶硅片上腐蚀硅杯，再利用c m o s 硅 平面工艺技术在硅膜上的最大应力区范围内制作四个沟道互相平行的m o s f e t ， 其中两个p m o s f e t 置于硅敏感膜的径向位置，而另外两个p m o s f e t 置于硅敏 感膜的横向位置，将这四个p m o s f e t 组成惠斯通电桥，当硅敏感膜受压力时， 硅膜发生微小变形，两个径向的p m o s f e t 沟道等效电阻阻值增大，两个横向 p m o s f e t 沟道等效电阻阻值减小，惠斯通电桥以其为输入信号而产生力敏输出。 在距离源极0 7 个沟道长度的位置引出霍尔输出极，对单一m o s 霍尔器件来说， 在垂直磁场作用下，沟道电子在洛仑兹力作用下发生偏转，霍尔输出极产生霍尔 输出电压，霍尔输出电压随磁感应强度改变而发生改变，从而实验对磁场的测 量。 m o s f e t s 力磁传感器版图如图2 1 ( a ) 所示，硅杯尺寸为6 m m 6 m m ， p m o s f e t 沟道尺寸为6 4 0 h m 1 6 0 p m 。四个p m o s f e t 分布在硅杯最大应力区 内，其中四个栅极均和源极以及衬底相连。图2 一l ( b ) 是m o s f e t s 力磁传感器管 芯结构的剖面图。 黑龙江大学硕士