一种基于微制造兼容性的集成光磁传感器芯片，采用巨磁阻（GMR）和光敏电阻（LDR）技术 孙学成（Xuecheng Sun）、 陈小龙（Xiaolong Chen）、 李侨（Jiao Li）、 任春明（Chunming Ren）、 田田（Tian Tian）、 郭爱英（Aiying Guo） 以及 雷冲（Chong Lei）

《Micromachines》：An Integrated Photo-Magnetic Sensor Chip Using Giant Magnetoresistance (GMR) and Light-Dependent Resistor (LDR) Technologies Based on Microfabrication Compatibility Xuecheng Sun, Xiaolong Chen, Jiao Li, Chunming Ren, Tian Tian, Aiying Guo and Chong Lei

　　摘要 由于低功耗和多功能性，单芯片集成技术已成为多功能传感器的重要发展方向。然而，不同传感组件之间的制造兼容性仍然是高性能集成传感器面临的关键挑战，这通常导致复杂的生产流程和成本增加。本研究提出了一种基于微纳加工方法、兼容微制造工艺的光磁集成传感器芯片。该集成传感器芯片包含巨磁阻（GMR）和光敏电阻（LDR）。其制造工艺基于标准的MEMS技术，具有兼容性和成本效益。实验结果表明，在5 V偏压下，该芯片能够同时实现光学和磁感应功能，磁感应灵敏度为3.74 mV/Oe，光感应灵敏度为0.79 A/(W/cm2)。这种集成传感器具有高灵敏度的磁性能和弱光检测能力，在机器人技术和先进制造领域具有广泛应用前景。

1. 引言
随着机器人技术、物联网（IoT）和生物医学的快速发展[1,2]，对通过光学和磁感应实现实时工件定位、表面缺陷检测和健康监测的需求显著增加[3]。传统的单一功能传感器检测范围狭窄，在多变量和高干扰条件下稳定性较差，因此存在固有的局限性。使用多种互补传感器可以有效克服单一类型传感器的局限性，因为它们整合了互补的优势，从而实现更全面和可靠的检测。光学和磁传感器由于其多功能性，在各个领域得到了广泛应用。在机器人技术中，磁编码器捕捉机器人关节的绝对位置，而增量光学编码器提供高分辨率检测，二者的结合进一步促进了机器人设备的微型化[4,5]。在物联网中，低功耗传感器节点（如停车空间检测器）利用光学传感器检测车辆阴影信号，以触发磁传感器，实现停车空间占用的低功耗监测[6]。然而，这类系统通常依赖于通过数据融合连接的多个离散传感器，这通常需要复杂的安装和校准程序，以及持续的高功耗。为了解决这些问题，多功能单芯片集成传感器受到了广泛的研究关注。通过将多个传感组件集成到单一设备中来实现多种传感功能已成为主要的研发方向[7,8]。
MEMS技术[9,10]、CMOS技术[11,12,13,14]和封装技术[15,16,17]被应用于多功能集成传感器的制造。多功能传感器的集成主要分为两种模式：系统级封装（SiP）和片上系统（SoC）[18,19]。在SiP中，不同的传感器芯片通过封装技术横向组装在共同的基板上，实现了异质材料的无缝共存和较低的热预算，从而降低了非重复工程成本。然而，其代价是较大的占位面积和由于寄生电容导致的较高上限带宽。相反，SoC在单个晶圆上顺序或同时制造所有传感元件，减少了互连长度，降低了寄生电容，实现了更低的底层噪声和更高的带宽。然而，单片集成带来了严格的设计约束：热预算不匹配、保护性中间层沉积以及需要严格优化的工艺流程。

在微传感器的设计和制造中，通常采用混合制造方法来实现特定的结构和功能。CMOS技术能够以经济高效的方式制造半导体传感器和片上电路[20]。MEMS工艺通过蚀刻等技术实现具有所需深度结构的专用传感器[21]。封装工艺可以直接利用上述两种技术预制造的SoC芯片，从而实现扩展功能[22,23]。
Roozeboom等人率先利用MEMS技术和封装技术，将磁传感器和光学传感器以及其他功能集成到尺寸为10 mm × 10 mm的硅基芯片上[24,25]。他们采用分离的传感层和顺序的制造和封装过程，但随着集成更多传感器，产量迅速下降。Sutthinet等人也提出了一种基于对称硅p-n结的二极管，可以利用差分洛伦兹力和光电效应同时检测磁场强度和光强度[26]。虽然CMOS技术大大简化了制造过程，但在实现高灵敏度传感器所需的复杂结构方面仍面临挑战[27,28]。对于实现高传感器灵敏度至关重要的腔体和悬臂梁等结构，仍需要额外的MEMS制造工艺，如深度反应离子蚀刻（DRIE），从而显著增加了整体工艺复杂性[13,29]。目前的集成光磁传感器受到结构和制造工艺的限制，难以同时实现高性能和满意的产量。

近年来，基于微制造兼容性的多功能环境传感器的制造已成为主要的研究焦点[30,31]。Izhar等人使用三步掩模光刻工艺在单芯片上实现了热电阻温度传感器、湿度传感器和流量传感器的低成本集成[32]。通过使用常见材料和统一的工艺步骤简化多传感器集成是提高制造产量的有效策略。这种工艺兼容方案利用不同传感元件之间的共享结构特征，允许使用标准技术一步实现多种传感器结构[32]。迄今为止，大多数报道的工作主要集中在通过CMOS工艺实现的多层平面结构上，而MEMS技术的工艺兼容性尚未得到充分探索。
基于硅的GMR磁传感器具有高度成熟的MEMS制造工艺，其性能远优于半导体磁传感器[33,34]。在单模磁检测应用中，研究人员通常在设备表面沉积不透明的金属层（如Au或Al），或在GMR和硅基板之间制造SiO2隔离层以隔离光电效应。然而，这也为制造光磁集成传感器创造了有利条件。基于硅的光敏探测器与GMR器件共享相同的材料和结构[35]。通过选择性在顶部沉积金属层，实现了双物理量检测。该器件具有两种不同的电子传输机制：自旋电子通道和光子生成的载流子通道。基于此分析，可以通过利用它们的共享材料和结构，将GMR传感器和基于硅的光敏电阻结构完全集成到单个芯片上，无需额外准备保护层或隔离层[36]。
本研究提出了一种利用巨磁阻效应和光敏电阻（LDR）的光磁检测单芯片集成传感器，该传感器通过四掩模标准MEMS工艺实现了基于微制造兼容性的SiO2/金属/Si结构的光敏半导体原理。设计和制造的传感器芯片如图1a所示。左侧面板显示了3D示意图，说明了芯片集成了两个功能区域：负责检测平行于薄膜平面的磁场的GMR部分，以及用于检测垂直于表面的入射光的LDR部分。相应的显微图像验证了微纳制造过程的可行性。横截面视图进一步阐明了四层堆叠结构。

2. 设计与制造
传感器芯片的示意图如图1b所示。当入射光穿过半透明钝化层和GMR线层时，会在硅基底中生成电子-空穴对。光生成的电子可以被GMR金属层捕获并贡献到光电流中。GMR元件采用底部基于自旋阀的结构（自由层、非磁层、固定层、反铁磁层），其中电子传输遵循双电流模型，电子被分裂成自旋向上和自旋向下的通道。当自由层和固定层的磁化方向平行时，自旋方向相同的电子通过非磁间隔层时散射较小，导致低电阻状态。当两种磁化方向反平行时，大多数电子经历强烈的自旋依赖散射，导致高电阻状态。
为了分别研究各个传感机制及其耦合效应，该芯片集成了一个GMR磁传感器和一个LDR光传感器，两者均使用完全兼容的MEMS工艺在6英寸GMR晶圆上制造（包括GMR金属层、Cr/Cu传感电极层、SiO2保护层和Au引出/屏蔽层）。唯一的区别是磁区域多了一个额外的Au遮光层[37]。
集成传感器芯片的制造步骤如图2所示。该设备是在6英寸GMR晶圆上制造的。第一层是p型硅基板，为整个传感器结构提供机械支撑，并作为光敏层。在光照下，单晶硅基底有效吸收光子能量，从而生成电子-空穴对，这是启动光电信号的关键过程。第二层是GMR功能层，由一系列自旋阀堆栈组成，通过溅射制造。
自旋阀堆栈对弱磁场敏感，包括自由层、非磁间隔层、固定层和反铁磁层。它结合了两个关键特性：磁灵敏度和半透明导电性。第三层由金属引线和垫层组成，用于读取光电和磁电信号。第四层是使用SiO2薄膜的钝化层，保护磁 sensing 层同时确保光传输。顶层的GMR sensing 单元的光学隔离层是专门为GMR sensing 单元准备的，通过控制金膜的厚度来实现光磁耦合的控制。

3. 结果与讨论
仿射偏差可能会影响GMR和LDR结构之间的耦合。不同GMR器件测得的光响应差异可能是由于线区域覆盖不完全导致的，这可能使光线通过GMR线并在下方的硅中生成光载流子。实验细节
在本研究中，需要同时构建磁性和光学实验平台，并表征它们的磁光耦合性能。平台的设计如图3a所示。磁性平台使用亥姆霍兹线圈沿着X轴和Z轴对GMR芯片施加外部磁场。磁场的强度通过电流来控制。调制方法可以表示为：
(1) （公式内容未提供）

图3. (a) 实验平台的设计概念。 (b) 集成光磁传感器芯片的实验平台。

在公式中，μ0代表真空磁导率，n表示线圈匝数，I表示电流大小，R表示线圈半径。磁场强度通过高斯计进行校准。芯片的偏置电流和输出电压由Keithley 2450数字源表（Tektronix，美国俄勒冈州比弗顿）均匀提供并同步采集。

对于光学平台，选择卤素灯作为宽谱光源。通过平面镜的反射来调整光斑的位置和大小，并使用滤光片组来调制光波长。根据照度的反平方定律，（公式内容未提供）

在公式中，I表示光强度，θ表示光源与被照对象之间的角度和距离，通过步进电机调整灯与芯片之间的距离来连续调制照度，相应的波长照度和光功率通过色度计进行同步校准。光敏电阻的偏置电压和光电流也由Keithley 2450仪器实时读取。平台的设置如图3b所示。

结果与讨论
首先，在弱光环境下，通过施加-20至50 Oe的静态磁场来激发磁阻，以确定磁传感器的检测范围。图4a显示了无光条件下GMR的MR-H曲线。在没有外部磁场的情况下，GMR的电阻值为241.31千欧姆，最大磁阻变化率为8.68%。图4b显示了在0-50 Oe磁场下GMR器件的伏安特性。可以看出，随着磁场的增加，器件表现出负磁阻响应，曲线非线性加剧，正负电压下的响应不对称。这种现象可能源于金属层与硅基板界面处形成的肖特基接触，这与LDR中的结效应的起源类似，导致引入了整流效应。

图4. (a) GMR单元的测量MR特性；(b) GMR单元的I-V特性。

在工业应用中，磁传感器常用于检测位置和旋转。图5a展示了GMR单元在不同方向的磁场响应。对于X轴作为易轴，高灵敏度的线性工作范围为0至40 Oe，变化范围为0至8%。超出敏感区域后，磁阻随着磁场强度的增加而逐渐增加。至于Y轴，Y轴的磁阻也会随磁场强度的增加而增加，并且对磁场方向不敏感。然而，GMR对Z轴方向的磁场没有响应。

图5. (a) 不同方向下GMR单元的MR特性；(b) GMR单元的磁阻变化率（%）与角度的关系；(c) x-y平面的磁阻特性。

图5b描述了在50 Oe旋转磁场下GMR效应随角度的变化。角度θ表示磁场与Y轴之间的角度。当θ=0°或180°时，器件仅受Y轴方向磁场的影响；当θ=90°或270°时，器件仅受X轴方向磁场的影响。磁阻变化率分别为-1.07%和8.64%，两极的总变化率达到9.71%，表明GMR磁编码可以有效检测旋转信号。然而，也可以看出，由于其自身的特性，磁传感器在极区域的灵敏度低于非极区域。因此，可以通过光学传感器来补偿磁传感器在极区域的灵敏度不足。

图5c显示了在x-y平面下50 Oe磁场下GMR的角度依赖性。

在实际应用中，LDR的关键考虑因素包括工作条件、对弱光的灵敏度以及对不同光源的响应。图6a展示了LDR在108 mW/cm2的光照强度下，不同波长下的I-V特性。可以观察到，LDR在625 nm波长的红光照射下表现出更明显的响应。LDR同时具有光电导效应和光伏效应：在高偏压下，光电导效应占主导地位——随着光强度的增加，载流子数量增加，导致电阻减小。然而，在低偏压下，光伏效应占主导，伴随着结效应和暗电流的出现。

图6b说明了在不同偏压下光电流与光功率密度之间的关系。对于相同的光功率，电压越高，电流越大。这是因为正向偏压降低了结的势垒高度，加快了载流子的扩散速度，并提高了载流子的收集效率，从而增加了电流。同时，响应也随着电压的增加而增加，表明检测器在更高电压下对光更敏感。从曲线特性来看，电压越高，曲线斜率越陡，这意味着在更高电压下光电流增长更快。然而，在高光功率和高电压下，曲线斜率变得平缓。这可能是由于载流子达到材料极限或电极接触电阻的影响，但没有观察到完全饱和。

图6. (a) 在暗条件下和在不同波长（108 mW/cm2）光照下LDR的测量I-V特性；(b) 在520 nm波长下，不同电压下LDR的电流-光强度特性；(c) 该器件的光电阻和相对电阻变化率特性。

为了探索LDR在弱光条件下的灵敏度，图6c展示了在工作电压为5 V时LDR的光电阻和相对电阻变化率的特性。特别是在光强度为10 W/cm2的弱光环境中，LDR表现出3.02 mA/W的响应和56%的电阻变化率。暗电阻约为300 kΩ。

LDR的时间响应特性决定了其在高速检测场景下的性能。图7a展示了在不同偏压下LDR的瞬态响应曲线，测试频率为100 Hz。实验数据显示，在3 V偏压下从暗状态切换到亮状态时的响应时间为11 μs，在10 V偏压下缩短到4.9 μs。从亮状态切换到暗状态时，恢复时间稳定在10 μs，这受到光生载流子的复合动态和肖特基界面处载流子提取的影响。去除光照后，光载流子迅速复合，金属-硅结处的内建电场进一步提取残留载流子。由于器件的固有结构特性，恢复时间限制了LDR的整体响应性能。在低光照明下，响应电流在10分钟连续操作过程中的变化率小于3.5%，显示出优异的长期稳定性。

图7b展示了在10 V偏压下LDR的频率响应，测量得到的3 dB带宽为11.3 kHz。与纳秒级硅基光电二极管相比，金属层仅与硅层形成单界面接触，这限制了载流子的收集速率。为了进一步提高响应速度，优化LDR的结构仍然是一种可行的方法。

图7. (a) 在不同施加电压下LDR的时间响应；(b) 10V下LDR的频率响应；(c) LDR和GMR单元之间的串扰。

为了研究Au如何减轻光诱导的磁响应解耦，使用测试平台同时施加光信号和磁信号。图7c展示了在磁场强度和光强度联合刺激下GMR和LDR单元的偏置电压响应。由于Au膜不够厚，无法完全阻挡入射光，因此单元的整体电阻随着光强度的增加而减小。相比之下，LDR单元对磁场强度的变化没有响应。

结论
具有微制造兼容性的芯片级集成光磁传感器在检测性能方面优于现有的集成方案，如表1所示。实验结果表明，集成芯片实现了0.79 A/(W/cm2的光检测灵敏度和3.74 mV/Oe的磁场灵敏度。

表1. 集成光磁传感器的关键性能指标比较。

总之，本研究为高性能光磁集成传感器提供了一条可行的技术路线，这种传感器与标准微制造工艺兼容，满足了多功能传感器的实际应用需求。