上用于 检测颅内压的压力传感器120,和形成于单个衬底110的第三部分128上用于检测氧浓度的 氧传感器126。特别地，温度传感器114、压力传感器120和氧传感器126的感测部分130、132、 134分别形成于传感器装置100的不同层处。
[0066] 在如图IB中所示的示例性实施例中，温度传感器114的感测部分130形成于单个衬 底110处，压力传感器120的感测部分132形成于传感器装置100的内金属层138处，并且氧传 感器126的感测部分134形成于传感器装置100的顶金属层142处。在这方面，在传感器装置 100的不同层处形成三个传感器114、120、126的感测部分130、132、134允许使用定制集成制 造流程将三个传感器114、120、126-体地形成于单个衬底110上（即，集成到单个芯片中）。 随后将在下面参考图IOA至IOZ详细地描述制造集成多模态传感器装置100的步骤。
[0067]在示例性实施例中，温度传感器114由一个或多个晶体管、优选地寄生垂直PNP晶 体管实现。作为例子，图2显示包括PTAT(绝对温度成比例）电流发生器204、带隙基准208和 Vbe放大器212的示例性温度传感器电路200的示意图。在PTAT电流发生器204中，两个相同的 PNP晶体管Qi230和Q2232以1比5的电流比偏压。基射极间电压VBE1234和V BE2236的差为PTAT电 压Λ Vbe 238,其可以由电阻器心240感测并且反馈到斩波(chopper)稳定误差放大器六!242。 通过经由动态元件匹配(DEM)随机地扰乱PMOS电流阱243实现1比5的电流比。因此，装置与 电路操作点失配的影响被最小化，并且流动通过电阻器Ri240的电流是PTAT电流Ip 244。该 PTAT电流源244被镜像以偏压具有与晶体管Qi230和Q2232相同尺寸的NPN晶体管Q3246,并且 产生跨越电阻器R 2248的PTAT压降。通过求和基射极间电压VBE3252和跨越R2248的PTAT电压 获得带隙电压Vbg 250。饱和电流的过程扩散、正向电流增益的有限值和晶体管Q3246的基极 电阻全部促成基射极间电压Vbe3252失配。在优选实施例中，执行一点校准以补偿Vbe3252失 配。包括电阻器(Rti-132 ) 2 60和开关(SWtl-132)262的5位片内电阻修整网络用于以室温下PTAT 电压调谐的32个步骤提供粗略Vbe3校准。
[0068] 在示例性实施例中，温度传感器114的感测部分130包括相应的一个或多个晶体管 的有源区。优选地，通过CMOS代工厂在硅衬底110中制造晶体管并且PNP晶体管的操作可以 由以下方程表达：
[0069] ⑴
[0070] 其中I s是饱和电流，Vbe是基射极间电压，Vt是热电压，并且I c是双极晶体管的集极 电流。从方程1可以看到，饱和电流（Is)具有强温度依存性，并且已发现温度传感器114显示 出相对于V ffi的约_2mV/ °C的温度灵敏度。
[0071] 然而，制造失配可能存在于标准CMOS过程中，并且已发现如方程1中所示的模型只 有在很好地控制诸如饱和电流（Is)的过程参数时是良好的。但是与PNP晶体管关联的限制 电流增益、基极电阻的有限值、高水平注入和早期效应全部影响温度传感器114的精度和灵 敏度。所以，在优选实施例中，执行Vbe校准以改善温度传感器114的精度，例如如上面参考图 2所述，其中电阻修整是被选择的技术以获得V ffi校准。在本领域中已公开各种修整电路实现 方式以解决温度传感器失配并且产生良好精度。所以，本发明不限于如图2中所示的修整电 路并且本领域技术人员将能够将本领域中已知的任何其它合适的修整电路应用于温度传 感器114以改善感测精度。随后将在下面作为制造集成多模态传感器装置100的过程的一部 分详细地描述制造温度传感器114的步骤。
[0072] 在示例性实施例中，压力传感器120由CMOS中的一个或多个电容MEMS压力传感器 实现。一个示例性电容MEMS压力传感器300的横截面图在图3A中示意性地示出。压力传感器 300有利地是简单的，原因是它仅仅包括前侧释放。在示例性实施例中，MEMS配置使用用于 可移动电极318的两个金属层314、315(M4和M5)和三个内金属介电层310、311、312(頂03、 niD4和MD5)(例如，SiO2)，以及用于可移动电极318下方的固定电极322的一个金属层326 (M2)和两个内金属介电层327(η?)2和頂Dl)。为了产生用于可移动电极318的空间，必须首 先蚀刻第一通孔330、第二通孔334和第三通孔338并且随后是在可移动电极318下方的内金 属层（即，M3以形成腔350)。在该例子中，压力传感器120的感测部分132包括相应的一个或 多个电容MEMS压力传感器的可移动电极318。例如，涉及的蚀刻剂是在100 °C下加热120分钟 以上的H2S〇4+H2〇2(2:l)的混合物。随后将在下面作为制造集成多模态传感器装置100的过 程的一部分详细地描述制造压力传感器300的步骤。
[0073]释放膜的俯视图和横截面图在扫描电子缩微照片（SEM)中捕捉并且在图3B和3C中 分别示出。在图3C中，在顶板354和底板358之间可以观察到腔350的存在(其在浓阴影中显 示）。也可以观察到连接顶板354内的金属层M4 314和金属层M5 315的非蚀刻通孔362(其在 淡阴影中显示）。可移动电极318使用金属层M4 315和M5 315形成并且通孔45 334取决于布 局位置具有两个功能。第一功能是用作路径以释放结构(也就是说，蚀刻掉制造金属层和通 孔的材料，例如相应地，铝(Al)和钨(W))并且第二功能是连接M4 315和M5 314层。作为最后 步骤，使用标准光刻构型保护聚合物涂层材料150(优选地，聚对二甲苯-C)以包封压力传感 器的有源区132。在示例性实现方式中，MEMS压力传感器120配置为9个电容器的阵列，具有 修整电路以获得良好的精度和灵敏度。各种修整电路实现方式已被公开以解决压力传感器 失配并且产生良好的精度。本领域技术人员将能够将本领域中已知的合适修整电路应用于 压力传感器120以改善感测精度并且因此不必在本文中被描述。
[0074]在实施例中，氧传感器126包括氧传感器元件410的可切换阵列。由16个氧传感器 元件410的阵列组成的CMOS中的氧传感器126的俯视图在图4中示出。优选地，氧传感器元件 410是克拉克型（clark-type)溶解氧传感器。图4示出配置为3电极系统（即，工作电极410， 对电极414,和参考电极418)的氧传感器126。将领会本发明的氧传感器126不限于3电极系 统。例如，氧传感器126可以配置为2电极系统（即，工作电极和参考电极）。在该实施例中，氧 传感器126的感测部分134包括氧传感器元件(工作电极)410。
[0075]在示例性实施例中，为了在传感器装置100的顶金属层142上制造工作电极410,铂 用作原材料以形成工作电极410。工作电极410可以通过铂工作电极410和顶金属层142之间 的20nm厚的钛层附连到CMOS顶金属层142(例如，铝）。如图4中所示的工作电极410的实际物 理形状可以由电子束蒸发器和剥离(lift-off)-起构型。为了最大化工作电极410灵敏度， 以下方程可以用于使灵敏度与工作电极410的面积相关：
[0076] ⑵
[0077]其中η是交换电子的数量，As是工作电极410的面积，F是法拉第常数，D是扩散率， Cm是指定样本中的溶解氧浓度，δ是选择性可渗透膜的厚度，并且i是还原电流。仅仅作为例 子，25μηιΧ 50μηι工作电极410的单位尺寸，对于室温下每臟!^溶解氧可以生成大约25(^八的 还原电流。
[0078]在实施例中，物理结构是选择性可渗透的特定聚合物154用于包封氧传感器126。 例如，镍-salen聚合物可以用作固体电解质，并且发现该聚合物能够增加铂工作电极410的 灵敏度。在另一方面，在商业上可获得的NAFION可以被选择作为固体电解质。NAFION已用作 允许氧输送通过其结构的固体电解质。不幸的是，铂电极410上的NAFION沉积不能使用类似 的CMOS加工进行。而是，它通常在滴铸中沉积，其经受涂层厚度失配。
[0079] 在传感器装置100中制造的所有传感器114、120、126被校准以获得某种程度的精 度。例如，对于典型的感测范围，压力传感器120和氧传感器126两者的规格配置成获得± ImmHg的不精确度，而温度传感器114为±0.2°C。由于后加工失配，制造的传感器相对于其 操作参数受到某种程度的失配。在电容MEMS压力传感器120或PNP基温度传感器114中，较好 地建模传感器失配。如上文中所述，各种修整电路实现方式已被公开以解决压力传感器和 温度传感器的失配并且产生良好的精度。所以，本领域的技术人员将能够将本领域中已知 的合适修整电路应用于温度传感器114和压力传感器120以改善感测精度。
[0080] 但是在另一方面，校准电化学氧传感器126的挑战来自氧传感器126的非标准制 造。具体地，形成氧传感器126的非标准制造是水凝胶154沉积，例如，如上所述通过滴铸产 生的NAFION的沉积。该水凝胶154的涂层厚度高度地受到失配，这是导致氧传感器126的不 精确度的明显因素。在示例性实施例中，氧传感器126配置成具有传感器校准。特别地，氧传 感器126包括氧传感器元件410的可切换阵列，其被提供以解决以上问题。例如，氧传感器 126包括共用共同电极418和参考电极414的16个可切换工作电极410,如图4中所示。特别 地，氧传感器126配置成切换到氧传感器元件410中的一个以提供满足预定灵敏度水平的氧 水平读数。可以通过在传感器校准程序期间评价其灵敏度激活特定工作电极元件410。所 以，工作电极410的灵敏度可以被记录并且对比目标灵敏度评价。如果有可以获得目标灵敏 度的一个以上工作电极410,则阵列实现方式为系统提供后备使得任何特定传感器故障可 以由可用的工作电极元件410替换。
[0081] 在实施例中，传感器装置100还包括一体地形成于单个衬底110上用于处理来自温 度传感器、压力传感器和氧传感器的读数