[發明專利]空間三維磁場檢測傳感器

有效

• 申請號: 201310506956.4
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN103630854A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 趙曉鋒;溫殿忠;宋宇;呂美薇
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: G01R33/07
• 分類號: G01R33/07;H01L27/22
• 代理公司: 北京康思博達知識產權代理事務所(普通合伙) 11426
• 代理人: 路永斌;余光軍

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，特別涉及空間三維磁場檢測傳感器。

背景技術

磁敏晶體管是具有長基區雙極型結構的磁電轉換器件。磁敏晶體管又稱磁敏三極管或磁三極管，是70年代發展起來的新型半導體磁電轉換器件，主要用于磁檢測、無觸點開關和近接開關等。

薄膜晶體管(英文名稱為Thin-film?transistor，簡稱TFT)是場效應晶體管的種類之一，制作方式是在基板上沉積各種不同的薄膜，如半導體主動層、介電層和金屬電極層。薄膜晶體管是液晶顯示器的關鍵器件,對顯示器件的工作性能具有十分重要的作用。

磁場測量的發展有著悠久的歷史，早在兩千多年前，人們就用司南來探測磁場，用于指示方向。隨著物理學、材料科學和電子技術的不斷發展，磁場測量技術取得了很大進展，磁場測量方法也越來越多。當前，磁場測量技術已廣泛應用于地球物理學、空間科學、生物醫學、軍事技術、工業探傷等領域，成為不可或缺的手段。磁場測量常以磁場強度的大小作為度量標準，針對不同場合下磁場強度的不同，需要采用不同的測量方法。

現今測量磁場的方法有磁通門法、霍爾效應法、磁阻效應法、磁共振法和超導效應法等方法，然而對于由霍爾效應法制作的磁場檢測傳感器具有如下缺陷即目前通過新型敏感材料和新型結構，實現三維磁場檢測，因傳感器結構和制作工藝條件限制，傳感器存在靈敏度低、溫度漂移等問題，同時該類傳感器很難實現芯片的集成化、小型化。

現有專利中存在的薄膜晶體管，如中國專利申請CN201110093983.4中所公開的納米硅薄膜晶體管壓力傳感器中應用了薄膜晶體管，然而這類傳感器用于測量壓力而不是用于測量磁場；

對于中國專利CN200810209819.3中所公開的方法，應用了硅薄膜晶體管測量磁場，然而通過該方法制作的傳感器通過單個硅薄膜晶體管測量磁場，這樣使得該傳感器受溫度等外界因素影響大，容易產生溫度漂移現象，并且靈敏度低；

對于中國專利申請CN85103006公開的二維磁矢量磁敏器件中，應用到了磁敏晶體管，然而，該文獻中公開的這類磁敏感器件只能對二維磁場進行測量，當需要對三維磁場進行測量時，這類磁敏感器件是不能順利完成工作的；并且這類磁敏感器件中用到的磁敏晶體管的集電極、基極和發射極均設置在硅芯片的同一面上，這樣使得該器件占用的空間大，不利于小型化或集成化；

此外，由于磁敏晶體管（雙極型三極管）和薄膜晶體管（場效應晶體管）二者均存在優缺點，然而現有技術中并未存在一種可以同時兼具兩種晶體管優點的磁場檢測傳感器。

由于上述問題的存在，本發明人對現有的磁場檢測傳感器進行研究和分析，以便能制作出靈敏度高、不受溫度漂移、易于芯片集成化和小型化、同時兼具磁敏晶體管和薄膜晶體管二者共同優點的空間三維磁場檢測傳感器。

發明內容

為了解決上述問題，本發明人進行了銳意研究，結果發現：在單晶硅襯底的上設置第一硅磁敏晶體管、第二硅磁敏晶體管、第三硅磁敏晶體管、第四硅磁敏晶體管、第一薄膜晶體管、第二薄膜晶體管、第三薄膜晶體管和第四薄膜晶體管；第一硅磁敏晶體管與第二硅磁敏晶體管的磁敏感方向相反；并且第一硅磁敏晶體管的集電極與第二硅磁敏晶體管的集電極形成第一差分輸出結構；第三硅磁敏晶體管與第四硅磁敏晶體管的磁敏感方向相反，并且第三硅磁敏晶體管的集電極與第四硅磁敏晶體管的集電極形成第二差分輸出結構；通過第一差分輸出結構和第二差分輸出結構可以測量水平面上的二維磁場，通過此種設置提高了傳感器磁靈敏度，使得該傳感器不受溫度漂移影響；四個硅磁敏晶體管的集電極均與電源V_DD相連；第一薄膜晶體管的一個霍爾輸出端與第三薄膜晶體管的一個霍爾輸出端串聯；第一薄膜晶體管的另一個霍爾輸出端與第三薄膜晶體管的另一個霍爾輸出端分別輸出第一電壓和第三電壓，第二薄膜晶體管的一個霍爾輸出端與第四薄膜晶體管的一個霍爾輸出端串聯，第二薄膜晶體管的另一個霍爾輸出端與第四薄膜晶體管的另一個霍爾輸出端分別輸出第二電壓和第四電壓；通過四個薄膜晶體管測量垂直芯片表面磁場且使得該傳感器靈敏度提高、不受溫度漂移的影響。從而完成本發明。

本發明的目的在于提供以下方面：

（1）空間三維磁場檢測傳感器，其特征在于，該傳感器包括四個磁敏晶體管和四個薄膜晶體管；

其中，在單晶硅襯底41上表面設置所述四個硅磁敏晶體管的集電極和基極，