CN108983119A - 一种单片集成二维磁矢量传感器及其集成化制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成二维磁矢量传感器及其制作工艺，所述传感器包括用于检测二维磁场的八个硅磁敏三极管，其中两两硅磁敏三极管之间为并联设置，并分别形成第一磁敏感单元(MSE1)、第二磁敏感单元(MSE2)、第三磁敏感单元(MSE3)和第四磁敏感单元(MSE4)，其中，所述第一磁敏感单元(MSE1)和第二磁敏感单元(MSE2)沿x轴按相反磁敏感方向设置，形成第一差分测试电路，用于x方向磁场(B_x)的检测；所述第三磁敏感单元(MSE3)和第四磁敏感单元(MSE4)沿y轴按相反磁敏感方向设置，形成第二差分测试电路，用于y方向磁场(B_y)的检测。本发明所述单片集成二维磁矢量传感器结构简单，实现了二维磁场的检测，芯片实现了小型化和单片集成化。

Description

一种单片集成二维磁矢量传感器及其集成化制作工艺

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及二维磁矢量传感器，特别地，涉及一种单片集成二维磁矢量传感器及其集成化制作工艺。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，传感器技术倍受重视，尤其是广泛应用于现代工业和电子产品的磁场传感器，而随着应用的广泛，对于磁场传感器集成化的要求也随之提高。

用于检测二维磁场的传感器包括磁敏三极管、磁通门、巨磁电阻(GMR)、隧穿磁敏电阻(TMR)、各向异性磁敏电阻(AMR)和霍尔元件等。

在现有技术中，已有采用磁敏三极管进行二维磁场检测的报道，但是，在所述报道中，采用磁敏三极管进行二维磁场检测时，需要较宽的磁敏感区间，即磁场需要覆盖整个芯片进行测量，而对于范围较窄的磁场检测效果不佳。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，采用MEMS技术在高阻单晶硅衬底上设计、制作八个集成化SOI(绝缘层上硅)硅磁敏三极管，其中两两并联设置，并且，对八个硅磁敏三极管进行排布设置，实现两对差分测试电路的单片集成化，分别用于检测平面内二维磁场(B_x、B_y)，从而完成本发明。

本发明一方面提供了一种单片集成二维磁矢量传感器，具体体现在以下几方面：

(1)一种单片集成二维磁矢量传感器，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上设置有用于检测二维磁场的八个硅磁敏三极管，并且，两两硅磁敏三极管之间为并联设置。

(2)根据上述(1)所述的单片集成二维磁矢量传感器，其中，所述八个硅磁敏三极管分别磁敏三极管一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、硅磁敏三极管六SMST6、硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8，其中，

所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管二SMST2并联设置；

所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6并联设置；

所述硅磁敏三极管三SMST3和硅磁敏三极管四SMST4并联设置；

所述硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8并联设置。

(3)根据上述(1)或(3)所述的单片集成二维磁矢量传感器，其中，

所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管二SMST2在并联后与集电极负载电阻一R_L1连接，形成第一磁敏感单元MSE1；

所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6并联后与集电极负载电阻二R_L2连接，形成第二磁敏感单元MSE2；

所述硅磁敏三极管三SMST3和硅磁敏三极管四SMST4在并联后与集电极负载电阻三R_L3连接，形成第三磁敏感单元MSE3；

所述硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8并联后与集电极负载电阻四RL4连接，形成第四磁敏感单元MSE4。

(4)根据上述(1)至(3)之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其中，

所述第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2沿x轴按相反磁敏感方向设置，形成第一差分测试电路，用于x方向磁场(B_x)的检测；和/或

所述第三磁敏感单元MSE3和第四磁敏感单元MSE4沿y轴按相反磁敏感方向设置，形成第二差分测试电路，用于y方向磁场(B_y)的检测。

(5)根据上述(1)至(4)之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其中，在所述第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2中，

硅磁敏三极管一SMST1的基区、硅磁敏三极管二SMST2的基区、硅磁敏三极管五SMST5的集电区和硅磁敏三极管六SMST6的集电区沿x轴方向共线；

优选地，硅磁敏三极管一SMST1的集电区、硅磁敏三极管二SMST2的集电区、硅磁敏三极管五SMST5的基区和硅磁敏三极管六SMST6的基区沿x轴方向共线。

(6)根据上述(1)至(5)之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其中，在所述第三磁敏感单元MSE3和第四磁敏感单元MSE4中，

硅磁敏三极管三SMST3的基区、硅磁敏三极管四SMST4的基区、硅磁敏三极管七SMST7的集电区和硅磁敏三极管八SMST8的集电区沿y轴方向共线；

优选地，硅磁敏三极管三SMST3的集电区、硅磁敏三极管四SMST4的集电区、硅磁敏三极管七SMST7的基区和硅磁敏三极管八SMST8的基区沿y轴方向共线。

(7)根据上述(1)至(6)之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其中，在第一硅片1上、每个硅磁敏三极管周围制作有隔离环11，优选地，所述隔离环11为n⁺型掺杂。

本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述传感器的制作工艺，具体体现在以下方面：

(8)一种上述(1)至(7)之一所述单片集成二维磁矢量传感器的制作工艺，其中，所述工艺包括以下步骤：

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；

步骤2、在所述第一硅片1的下表面进行一次光刻，制作得到八个发射区窗口，并进行n⁺型重掺杂，分别形成八个硅磁敏三极管的发射区；

步骤3、清洗第二硅片，双面生长二氧化硅层，并采用键合工艺使第一硅片与第二硅片之间进行键合，优选第一硅片的下表面与第二硅片的上表面之间进行键合；

步骤4、键合后，对第一硅片进行减薄、抛光、清洗处理；

步骤5、清洗，采用热氧化工艺在器件层上表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；

步骤6、在器件层的上表面依次进行二次光刻、三次光刻、四次光刻和五次光刻，分别进行n⁺型掺杂、n^-型掺杂、n⁺型重掺杂和p⁺型重掺杂，分别依次形成隔离环、四个集电极负载电阻、八个集电区和八个基区；

步骤7、高温退火处理；

步骤8、清洗，在芯片上生长二氧化硅层，优选厚度为作为金属互连线绝缘层；

步骤9、第六次光刻，刻蚀金属电极引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al层，并在金属Al层表面进行刻蚀，形成金属Al互连线；

步骤10、清洗，在芯片上生长二氧化硅层，优选厚度为作为钝化层，第七次光刻，刻蚀钝化层窗口；；

步骤11、清洗，第八次光刻，在第二硅层下表面刻蚀八个发射区引线坑窗口，通过深槽刻蚀技术(ICP)进行刻蚀，形成八个发射区腐蚀坑；

步骤12、清洗，通过真空蒸镀在八个腐蚀坑内制作金属Al，形成金属Al引线；

步骤13、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述单片集成二维磁矢量传感器。

(9)根据上述(8)所述的制作工艺，其中，在步骤1中，所述第一硅片1为<100>晶向高阻p型单晶硅片，优选地，所述第一硅片的电阻率大于1000Ω·cm。

本发明第三方面提供一种利用本发明第二方面所述工艺制得的单片集成二维磁矢量传感器。

附图说明

图1示出本发明所述单片集成二维磁矢量传感器的俯视示意图；

图2示出本发明所述单片集成二维磁场传感器的等效电路图；

图3示出图1中a-a处的一种优选实施方式的截面示意图；

图4示出图1中b-b处的一种优选实施方式的截面示意图；

图5a～图5g示出本发明所述制作工艺的工艺过程图一(沿a-a截面)；

图6a～图6g示出本发明所述制作工艺的工艺过程图二(沿b-b截面)；

图7示出区别于本发明所述传感器的对比传感器的俯视示意图。

附图标记说明

1-第一硅片；11-隔离环；2-第二硅片；3-二氧化硅层；SMST1-硅磁敏三极管一；SMST2-硅磁敏三极管二；SMST3-硅磁敏三极管三；SMST4-硅磁敏三极管四；SMST5-硅磁敏三极管五；SMST6-硅磁敏三极管六；SMST7-硅磁敏三极管七；SMST8-硅磁敏三极管八；R_B1-基极负载电阻一；R_B2-基极负载电阻二；R_B3-基极负载电阻三；R_B4-基极负载电阻四；R_B5-基极负载电阻五；R_B6-基极负载电阻六；R_B7-基极负载电阻七；R_B8-基极负载电阻八；R_L1-集电极负载电阻一；R_L2-集电极负载电阻二；R_L3-集电极负载电阻三；R_L4-集电极负载电阻四；B₃-硅磁敏三极管三的基极；B₄-硅磁敏三极管四的基极；B₅-硅磁敏三极管五的基极；B₆-硅磁敏三极管六的基极；C₁-硅磁敏三极管一的集电极；C₂-硅磁敏三极管二的集电极；C₇-硅磁敏三极管七的集电极；C₈-硅磁敏三极管八的集电极；E₁-硅磁敏三极管一的发射极；E₂-硅磁敏三极管二的发射极；E₇-硅磁敏三极管七的发射极；E₈-硅磁敏三极管八的发射极；V_DD-电源；GND-接地；V_x1-输出电压一；V_x2-输出电压二；V_y3-输出电压三；V_y4-输出电压四。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明一方面提供了一种单片集成二维磁矢量传感器，如图1和图3～4所示，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上设置有用于检测二维磁场的八个硅磁敏三极管，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、硅磁敏三极管六SMST6、硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8，用于xy平面二维磁场的检测。

其中，所述硅磁敏三极管为NPN型磁敏三极管。

根据本发明一种优选的实施方式，第一硅片1的厚度为20～30μm，第二硅片2的厚度为350～450μm。

在进一步优选的实施方式中，第一硅片1的厚度为30μm，第二硅片2的厚度为400～425μm。

其中，本发明采用两个硅片进行键合，位于下方的第二硅片用于起支撑作用，这样，作为器件层的第一硅片可以实现减薄。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一硅片1和第二硅片2均为<100>晶向高阻p型单晶硅片，优选地，第一硅片的电阻率大于1000Ω·cm。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管二SMST2并联设置，所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6并联设置。

其中，采用两个硅磁敏三极管进行并联设置，可以提高磁灵敏度，同时，可以优化集电极负载电阻阻值，这样，就明显降低了功耗。

而在现有技术中，大多是通过调节集电极负载电阻阻值调节灵敏度，但是现在可以降低集电极负载电阻的阻值，减小功耗，但同时还具有很高的灵敏度，实现了低功耗下灵敏度的提高。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管一SMST1和硅磁敏三极管二SMST2在并联后与集电极负载电阻一R_L1连接，形成第一磁敏感单元MSE1；所述硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6并联后与集电极负载电阻二R_L2连接，形成第二磁敏感单元MSE2。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2沿x轴按相反磁敏感方向设置，形成第一差分测试电路，用于x方向磁场(B_x)的检测。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2中，硅磁敏三极管一SMST1的基区、硅磁敏三极管二SMST2的基区、硅磁敏三极管五SMST5的集电区和硅磁敏三极管六SMST6的集电区沿x轴方向共线。

在进一步优选的实施方式中，如图1所示，在所述第一磁敏感单元MSE1和第二磁敏感单元MSE2中，硅磁敏三极管一SMST1的集电区、硅磁敏三极管二SMST2的集电区、硅磁敏三极管五SMST5的基区和硅磁敏三极管六SMST6的基区沿x轴方向共线。

更优选地，如图1所示，硅磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管二SMST2、硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6各自基区与集电区之间所在线与y轴平行。

这样，如图1所示，使得硅磁敏三极管一SMST1、硅磁敏三极管二SMST2、硅磁敏三极管五SMST5和硅磁敏三极管六SMST6各自基区与集电区之间的长基区相互平行且对齐排列。这样，通过对硅磁敏三极管重新进行排布设置，使得x轴方向探测磁场的区间范围大大减小，为硅磁敏三极管基区和集电区之间的距离。因此，当磁场在x轴方向的范围只有基区与集电区之间的长基区大小时即可实现探测，而不需要磁场覆盖整个x轴。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管三SMST3和硅磁敏三极管四SMST4并联设置，所述硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8并联设置。

其中，采用两个硅磁敏三极管进行并联设置，可以提高磁灵敏度，同时，降低集电极负载电阻的阻值，这样，就明显降低了功耗。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述硅磁敏三极管三SMST3和硅磁敏三极管四SMST4在并联后与集电极负载电阻三R_L3连接，形成第三磁敏感单元MSE3；所述硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8并联后与集电极负载电阻四R_L4连接，形成第四磁敏感单元MSE4。

在更进一步优选的实施方式中，所述第三磁敏感单元MSE3和第四磁敏感单元MSE4沿y轴按相反磁敏感方向设置，形成第二差分测试电路，用于y方向磁场(B_y)的检测。

在本发明中，如图1～2所示，当外加磁场在xy平面内沿x轴和y轴存在磁场分量时，由于外加磁场的作用，两对差分测试电路中四个输出电压(V_x1、V_x2、V_y3、V_y4)改变，从而实现对二维磁场(B_x、B_y)的检测。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第三磁敏感单元MSE3和第四磁敏感单元MSE4中，硅磁敏三极管三SMST3的基区、硅磁敏三极管四SMST4的基区、硅磁敏三极管七SMST7的集电区和硅磁敏三极管八SMST8的集电区沿y轴方向共线。

在更进一步优选的实施方式中，如图1所示，在所述第三磁敏感单元MSE3和第四磁敏感单元MSE4中，硅磁敏三极管三SMST3的集电区、硅磁敏三极管四SMST4的集电区、硅磁敏三极管七SMST7的基区和硅磁敏三极管八SMST8的基区沿y轴方向共线。

更优选地，如图1所示，硅磁敏三极管三SMST3、硅磁敏三极管四SMST4、硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8各自基区与集电区之间所在线与x轴平行。

这样，如图1所示，使得硅磁敏三极管三SMST3、硅磁敏三极管四SMST4、硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8各自基区与集电区之间的长基区相互平行且对齐排列。这样，通过对硅磁敏三极管重新进行排布设置，使得y轴方向探测磁场的区间范围大大减小，为硅磁敏三极管基区和集电区之间的距离。因此，当磁场在y轴方向的范围只有基区与集电区之间长基区大小时即可实现探测，而不需要磁场覆盖整个y轴。

综上，通过对八个硅磁敏三极管的重新排布，使得所述传感器探测磁场的区间范围大大减小，无论是x轴还是y轴的磁场，只需要有基区与集电区之间的长基区大小即可实现探测。但是，在现有技术中，进行二维磁场探测时，磁场需要覆盖芯片才能实现对x轴和y轴方向磁场的同时检测，继而现有技术所述二维磁传感器要求所探测的磁场具有较大的区间范围。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述集电极负载电阻一R_L1、集电极负载电阻二R_L2、集电极负载电阻三R_L3和集电极负载电阻四R_L4的另一端均与电源V_DD连接。

在进一步优选的实施方式中，集电极负载电阻一R_L1、集电极负载电阻二R_L2、集电极负载电阻三R_L3和集电极负载电阻四R_L4均为n^-型掺杂。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述传感器还包括基极负载电阻一R_B1、基极负载电阻二R_B2、基极负载电阻三R_B3、基极负载电阻四R_B4、基极负载电阻五R_B5、基极负载电阻六R_B6、基极负载电阻七R_B7和基极负载电阻八R_B8，分别与硅磁敏三极管一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、硅磁敏三极管六SMST6、硅磁敏三极管七SMST7和硅磁敏三极管八SMST8的基极相连。

在进一步优选的实施方式中，基极负载电阻一R_B1、基极负载电阻二R_B2、基极负载电阻三R_B3、基极负载电阻四R_B4、基极负载电阻五R_B5、基极负载电阻六R_B6、基极负载电阻七R_B7和基极负载电阻八R_B8的另一端均与电源V_DD连接。

在更进一步优选的实施方式中，基极负载电阻一R_B1、基极负载电阻二R_B2、基极负载电阻三R_B3、基极负载电阻四R_B4、基极负载电阻五R_B5、基极负载电阻六R_B6、基极负载电阻七R_B7和基极负载电阻八R_B8均为n^-型掺杂。

其中，基极与负载电阻相连，这样，在不需要为每个基极提供一个电流源的情况下，即可为基极提供恒定的电流。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1～4所示，所述硅磁敏三极管一SMST1发射极E₁、硅磁敏三极管二SMST2发射极E₂、硅磁敏三极管三SMST3发射极E₃、硅磁敏三极管四SMST4发射极E₄、硅磁敏三极管五SMST5发射极E₅、硅磁敏三极管六SMST6发射极E₆、硅磁敏三极管七SMST7发射极E₇和硅磁敏三极管八SMST8发射极E₈相连并接地。

根据本发明一种优选的实施方式，在第一硅片1上、每个硅磁敏三极管周围制作有隔离环11。

在进一步优选的实施方式中，所述隔离环11穿透所述第一硅片1。

在更进一步优选的实施方式中，所述隔离环11为n⁺型掺杂。

其中，在p型硅片上，刻蚀n⁺型掺杂的隔离环11，这样，隔离环11里外均为P型，隔离环与第一硅片的内外接触面形成PN结，而由于PN结具有单向导电特性，因此，总会有一个接触面(内接触面或外接触面)不导通，这样，成功将每个硅磁敏三极管与其它器件进行隔离，防止了器件间的导通，避免了相互干扰，提高了磁灵敏度一致性和传感器的稳定性。

本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述单片集成二维磁矢量传感器的制作工艺，如图5所示，所述工艺包括以下步骤：

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[如图5a和图6a所示]；

步骤2、在所述第一硅片1的下表面进行一次光刻，制作得到八个发射区窗口，并进行n⁺型重掺杂，分别形成八个硅磁敏三极管的发射区[如图5b和图6b所示]；

步骤3、清洗第二硅片，双面生长二氧化硅层[如图5c和图6c所示]，并采用键合工艺使第一硅片与第二硅片之间进行键合，优选第一硅片的下表面与第二硅片的上表面之间进行键合；

步骤4、键合后，对第一硅片进行减薄、抛光、清洗处理；

步骤5、清洗，采用热氧化工艺在器件层上表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；

步骤6、在器件层的上表面依次进行二次光刻、三次光刻、四次光刻和五次光刻，分别进行n⁺型掺杂、n^-型掺杂、n⁺型重掺杂和p⁺型重掺杂，分别依次形成隔离环、四个集电极负载电阻(R_L1、R_L2、R_L3、R_L4)、八个集电区和八个基区[如图5d～图5e以及图6d～图6e所示]；

步骤7、高温退火处理；

步骤8、清洗，在芯片上生长二氧化硅层，优选厚度为作为金属互连线绝缘层；

步骤9、第六次光刻，刻蚀金属电极引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al层，并在金属Al层表面进行刻蚀，形成金属Al互连线；

步骤10、清洗，在芯片上生长二氧化硅层，优选厚度为作为钝化层，第七次光刻，刻蚀钝化层窗口；

步骤11、清洗，第八次光刻，在第二硅层下表面刻蚀八个发射区引线坑窗口，通过深槽刻蚀技术(ICP)进行刻蚀，形成八个发射区腐蚀坑[如图5f和图6f所示]；

步骤12、清洗，通过真空蒸镀在八个腐蚀坑内制作金属Al，形成金属Al引线[如图5g和图6g所示]；

步骤13、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述单片集成二维磁矢量传感器。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤1中，所述第一硅片1为<100>晶向高阻p型单晶硅片。

在进一步优选的实施方式中，所述第一硅片的电阻率大于1000Ω·cm。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤1中，采用热氧化法生长30～50nm厚度的二氧化硅层，作为离子注入缓冲层。

在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，采用热氧化法生长40nm厚度的二氧化硅层。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3中，双面生长的二氧化硅层的厚度为

在进一步优选的实施方式中，在步骤3中，双面生长的二氧化硅层的厚度为

根据本发明一种优选的实施方式，步骤4减薄后第一硅片1的厚度为20～40μm。

在进一步优选的实施方式中，步骤4减薄后第一硅片1的厚度为30μm。

其中，在本发明中，采用两个硅片进行键合，这样，以作为衬底的第二硅片作为支撑，作为器件层的第一硅片可以实现很薄。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤5中，生长的二氧化硅层的厚度为30～50nm。

在进一步优选的实施方式中，在步骤5中，生长的二氧化硅层的厚度为40nm。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤7中，所述高温退火处理如下进行：在800-900℃下真空环境处理30～40min。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤13中，所述合金化处理如下进行：在400～450℃下真空环境处理20～40min。

在进一步优选的实施方式中，在步骤13中，所述合金化处理如下进行：420℃真空环境下处理30min。

本发明第三方面提供了一种根据本发明第二方面所述制作工艺得到的单片集成二维磁矢量传感器。

本发明所具有的有益效果：

(1)本发明所述单片集成二维磁矢量传感器将八个硅磁敏三极管(SMST1、SMST2、SMST3、SMST4、SMST5、SMST6、SMST7、SMST8)两两并联后与四个集电极负载电阻(R_L1、R_L2、R_L3、R_L4)进行有效结合和单片集成化，分别构成两对差分测试电路，实现了二维磁场(B_x、B_y)检测；

(2)同时，两两三极管的并联结构不仅提高了各方向的磁灵敏度，并且，降低了集电极负载电阻的大小，就明显降低了功耗，这样，在低功耗下实现了高磁灵敏度；

(3)通过对硅磁敏三极管重新进行排布设置，使得探测磁场的区间范围大大减小，为硅磁敏三极管基区和集电区之间的距离；

(4)本发明所述单片集成二维磁矢量传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；

(5)本发明所述制作工艺简单，易于实现，适合规模化工业应用。

实验例1

采用北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司的磁场发生系统对本发明所述单片集成二维磁矢量传感器(图1所示)和图7所示二维磁场传感器分别进行测试，分析单片集成二维磁场传感器的磁场检测灵敏度，经过检测可知：

(1)当电源电压5.0V时：

本发明所述传感器的x轴方向磁传感器灵敏度为293mV/T，y方向磁传感器灵敏度292mV/T；

图7所示传感器的x轴方向磁传感器灵敏度为285mV/T，y方向磁传感器灵敏度284mV/T；

可知，本发明所述传感器通过三极管两两并联设置，提高了磁灵敏度。

实验例2

分别对本发明所述传感器和图7所示传感器施加150μm左右的磁场区域，发现：

(1)本发明所述传感器可以成功检测到施加的150μm左右的磁场；

(2)而图7所示传感器磁敏感区间沿磁敏感方向800μm以上。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种单片集成二维磁矢量传感器，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)上设置有用于检测二维磁场的八个硅磁敏三极管，并且，两两硅磁敏三极管之间为并联设置。

2.根据权利要求1所述的单片集成二维磁矢量传感器，其特征在于，所述八个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、硅磁敏三极管六(SMST6)、硅磁敏三极管七(SMST7)和硅磁敏三极管八(SMST8)，其中，

所述硅磁敏三极管一(SMST1)和硅磁敏三极管二(SMST2)并联设置；

所述硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)并联设置；

所述硅磁敏三极管三(SMST3)和硅磁敏三极管四(SMST4)并联设置；

所述硅磁敏三极管七(SMST7)和硅磁敏三极管八(SMST8)并联设置。

3.根据权利要求1或2所述的单片集成二维磁矢量传感器，其特征在于，

所述硅磁敏三极管一(SMST1)和硅磁敏三极管二(SMST2)在并联后与集电极负载电阻一(R_L1)连接，形成第一磁敏感单元(MSE1)；

所述硅磁敏三极管五(SMST5)和硅磁敏三极管六(SMST6)并联后与集电极负载电阻二(R_L2)连接，形成第二磁敏感单元(MSE2)；

所述硅磁敏三极管三(SMST3)和硅磁敏三极管四(SMST4)在并联后与集电极负载电阻三(R_L3)连接，形成第三磁敏感单元(MSE3)；

所述硅磁敏三极管七(SMST7)和硅磁敏三极管八(SMST8)并联后与集电极负载电阻四(R_L4)连接，形成第四磁敏感单元(MSE4)。

4.根据权利要求1至3之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其特征在于，

所述第一磁敏感单元(MSE1)和第二磁敏感单元(MSE2)沿x轴按相反磁敏感方向设置，形成第一差分测试电路，用于x方向磁场(B_x)的检测；和/或

所述第三磁敏感单元(MSE3)和第四磁敏感单元(MSE4)沿y轴按相反磁敏感方向设置，形成第二差分测试电路，用于y方向磁场(B_y)的检测。

5.根据权利要求1至4之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其特征在于，在所述第一磁敏感单元(MSE1)和第二磁敏感单元(MSE2)中，

硅磁敏三极管一(SMST1)的基区、硅磁敏三极管二(SMST2)的基区、硅磁敏三极管五(SMST5)的集电区和硅磁敏三极管六(SMST6)的集电区沿x轴方向共线；

优选地，硅磁敏三极管一(SMST1)的集电区、硅磁敏三极管二(SMST2)的集电区、硅磁敏三极管五(SMST5)的基区和硅磁敏三极管六(SMST6)的基区沿x轴方向共线。

6.根据权利要求1至5之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其特征在于，在所述第三磁敏感单元(MSE3)和第四磁敏感单元(MSE4)中，

硅磁敏三极管三(SMST3)的基区、硅磁敏三极管四(SMST4)的基区、硅磁敏三极管七(SMST7)的集电区和硅磁敏三极管八(SMST8)的集电区沿y轴方向共线；

优选地，硅磁敏三极管三(SMST3)的集电区、硅磁敏三极管四(SMST4)的集电区、硅磁敏三极管七(SMST7)的基区和硅磁敏三极管八(SMST8)的基区沿y轴方向共线。

7.根据权利要求1至6之一所述的单片集成二维磁矢量传感器，其特征在于，在第一硅片(1)上、每个硅磁敏三极管周围制作有隔离环(11)，优选地，所述隔离环(11)为n⁺型掺杂。

8.一种权利要求1至7之一所述单片集成二维磁矢量传感器的制作工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

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；

步骤2、在所述第一硅片(1)的下表面进行一次光刻，制作得到八个发射区窗口，并进行n⁺型重掺杂，分别形成八个硅磁敏三极管的发射区；

步骤3、清洗第二硅片，双面生长二氧化硅层，并采用键合工艺使第一硅片与第二硅片之间进行键合，优选第一硅片的下表面与第二硅片的上表面之间进行键合；

步骤4、键合后，对第一硅片进行减薄、抛光、清洗处理；

步骤5、清洗，采用热氧化工艺在器件层上表面生长二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；

步骤6、在器件层的上表面依次进行二次光刻、三次光刻、四次光刻和五次光刻，分别进行n⁺型掺杂、n^-型掺杂、n⁺型重掺杂和p⁺型重掺杂，分别依次形成隔离环、四个集电极负载电阻、八个集电区和八个基区；

步骤7、高温退火处理；

步骤8、清洗，在芯片上生长二氧化硅层，优选厚度为作为金属互连线绝缘层；

步骤9、第六次光刻，刻蚀金属电极引线孔，然后进行真空蒸镀金属Al层，并在金属Al层表面进行刻蚀，形成金属Al互连线；

步骤10、清洗，在芯片上生长二氧化硅层，优选厚度为作为钝化层，第七次光刻，刻蚀钝化层窗口；；

步骤11、清洗，第八次光刻，在第二硅层下表面刻蚀八个发射区引线坑窗口，通过深槽刻蚀技术(ICP)进行刻蚀，形成八个发射区腐蚀坑；

步骤12、清洗，通过真空蒸镀在八个腐蚀坑内制作金属Al，形成金属Al引线；

步骤13、进行合金化处理形成欧姆接触，得到所述单片集成二维磁矢量传感器。

9.根据权利要求8所述的制作工艺，其特征在于，在步骤1中，所述第一硅片(1)为<100>晶向高阻p型单晶硅片，优选地，所述第一硅片的电阻率大于1000Ω·cm。

10.根据权利要求8或9所述的制作工艺得到的单片集成二维磁矢量传感器。