CN101320081A - 一种微机电系统磁场传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统磁场传感器及测量方法是一种功耗小、结构简单、响应快、可靠性好的磁场传感器及测量方法，由锚区(1)、感生金属线(2)、E型悬臂梁(3)、衬底(4)构成。E型悬臂梁由静电激励或者洛伦兹力驱动，E型悬臂梁(3)受力产生振动，在一定的频率作用下悬臂梁将产生谐振，镀在E型悬臂梁(3)上的感生金属线(2)能随E型悬臂梁(3)的振动而运动。在磁场存在的情况下，感生金属线(2)在磁场中作切割磁力线运动，这样金属线中就可以感生出感生电压，测量感生金属线(3)中的感生电压从而达到测量磁场的目的。

Description

一种微机电系统磁场传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁场传感器及其制备方法，尤其涉及一种微机电系统磁场传感器及其测量方法，具体说该E型梁结构磁场传感器是采用与CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor)相兼容的工艺，能实现激励及检测电路的单片集成，其原理是基于感生电压检测磁场强度。

背景技术

磁场传感器是感知磁场的存在和磁场强度的，是广泛应用的一种传感器。磁场传感器的应用已经有很长的历史，从中国的四大发明之一的指南针到现在用于精确定位的电子导航仪以及安保系统、医疗仪器等，已经广泛应用于生活的方方面面。

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。法国的Vincent Beroulle提出了一种悬臂梁结构的磁场传感器^[1]，采用压阻效应来测量悬臂梁因受磁场力而产生的变形，但是压阻效应受温度影响比较大。另一种梳齿结构的微机电系统磁场传感器^[2]，这种结构测量比较方便，但是结构复杂，制作工艺要求高，并且要使梳齿谐振器发生运动所需要的功耗比较大，灵敏度也不是很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种功耗低、灵敏度高、精度高、受温度影响小的微机电系统磁场传感器，该装置结构简单。

本发明另一目的是提供一种微机电系统磁场传感器的测量方法，该测量方法简单、功耗低，受温度影响小。

本发明进一步目的是提供一种微机电系统磁场传感器的制备方法，该方法简单、成本低。

本发明采用如下技术方案：

该传感器包括衬底、E型悬臂梁、感生金属线，E型悬臂梁平行悬空设于衬底的上方，且左侧臂、右侧臂、中臂与衬底相连接；感生金属线被设于E型悬臂梁上表面，并能与E型悬臂梁同步运动。

所述感生金属线被设于E型悬臂梁的自由端和固支的左侧臂、右侧臂上，感生金属线通过测量锚区连接在衬底上。

在感生金属线与E型悬臂梁之间设有绝缘层，在衬底的下部设有与E型悬臂梁平行的电极。

所述感生金属线镀在E型悬臂梁的远离衬底的上表面。

微机电系统磁场传感器的测量方法为，首先施加外加激励使得E型悬臂梁产生振动，与E型悬臂梁同步运动的感生金属线作切割磁力线运动而感生出感生电压，再测量所述的感生电压，就可以获得外加磁场的强度。

所述E型悬臂梁与衬底绝缘，在衬底的下部相应地设有与E型悬臂梁平行的电极，所述外加激励的方法为：在E型悬臂梁以及电极之间之间加上交流电压信号使其振动。

所述外加激励的频率等于E型悬臂梁的谐振频率。

包括以下步骤：利用表面微机械加工技术在衬底上加工E型悬臂梁，再在其表面溅射金属Al表面并光刻形成感生金属线，最后通过腐蚀牺牲层PSG释放结构形成E型悬臂梁。

有益效果：

1.本发明微机电系统磁场传感器结构非常简单，该结构具有功耗小、灵敏度高、精度高、受温度影响小及性能可靠等优点。本发明利用感生电动势来测量，整个过程中电流很小，功耗低，而且只要该结构发生运动，就能感应出感生电压，并且结构中没有采用压阻元件，所以温度变化对测量的影响不是很大。本发明可通过使得感生金属线与E型悬臂梁绝缘(在悬臂梁上加上交流电压时，避免在感生金属线上增加额外的干扰)，并在衬底上设置电极，再在E型悬臂梁以及所述电极之间加上交流信号，即采用静电驱动E型悬臂梁，这种方法的优点在于可以方便的改变驱动信号的大小，因而能够控制悬臂梁的运动速度及幅值，从而可以适应较宽范围磁场强度的测量。本发明还可采用压电陶瓷进行激励驱动，通过测量其振动速度(例如采用polytech公司的多普勒激光测振仪)以及感生金属线的感生电动势，计算出磁场强度。

2.本发明将所述感生金属线设于E型悬臂梁的自由端和固支的左右侧臂上，E型悬臂梁自由端处速度最快，并且自由端的长度设计也比较灵活，因此其灵敏度以及精度较高。

3.本发明E型悬臂梁驱动方式灵活，产生的感生电动势测量方便，E型结构有利于降低E型悬臂梁的横向扭转趋势，有利于提高测量精度。

4.本发明在所述感生金属线两端连接有测量锚区，该测量锚区具有比感生金属线更大的尺寸，在进行引线键合等引出方式，将具有良好的接触，并使得电接触更加可靠，从而使得感生电动势的测量结果更加精确。

5.本发明采用的微机电系统磁场传感器的测量方法，采用感生电压原理来测量，通过测量在磁场中运动的金属线上感生的电动势来测量得到磁场的信息，避免了温度的影响，因而该方法具有简单、功耗低、受温度影响较小。

6.本发明所外加激励的频率等于E型悬臂梁的谐振频率，能够使得E型悬臂梁在谐振频率点获得较大的振幅以及大的振动速度，使得感生金属线切割磁力线的速度变快，因此，可使得输出的感生电压的值增大，有利于提高测量精度。谐振频率处，所要的功耗较低，又具有较大的振幅，可以提高其测量精度。

7.本发明可采用MEMS加工技术制造，与CMOS工艺相兼容，因此该装置的成本较低；其制备方法也适合于大规模工业生产，方法简单，成本较低。

本发明是用于测量磁场的MEMS磁场传感器，该传感器以衬底为平面，在衬底上设有由E型悬臂梁、感生金属线、锚区组成的传感器结构。当该传感器处于磁场中时，E型悬臂梁上受静电力或者热激励作用产生振动或者外加的激振(如压电陶瓷)，镀在E型悬臂梁上的感生金属线能随E型悬臂梁的振动而运动。感生金属线在磁场中作切割磁力线运动，感生金属线两端会产生感生电动势，E型悬臂梁在磁场中的振动速度可以测量得到，测量感生金属线中的感生电压从而达到测量磁场的目的。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的平面结构示意图。

以上的图中有：测量锚区1、感生金属线2、E型悬臂梁3、自由端31、左侧臂32、右侧臂33、中臂34、衬底4。

图3是本发明的剖面图。

图中有：金属层5、SiO₂膜层6、Si膜层7、Si₃N₄膜层8、SiO₂薄膜9、Si膜10；其中Si₃N₄膜层8、SiO₂薄膜9、Si膜10构成整个结构的衬底4，Si膜7和Si膜10分别作为静电激励的上下电极。

具体实施方案

实施例1

一种微机电系统磁场传感器，包括衬底4，还包括E型悬臂梁3和感生金属线2，E型悬臂梁3平行设于衬底4上，感生金属线2被设于E型悬臂梁3上，并能与E型悬臂梁3同步运动。本实施例中，感生金属线2可用蒸发或电镀的方法镀于E型悬臂梁3的上表面，也可以用溅射的方法在上述位置布置金属线。当采用静电激励方式使悬臂梁振动时，需要在感生金属线2与E型悬臂梁3之间设有绝缘层，而且在衬底上需设置与E型悬臂梁3相应的电极，从而有利于加静电载荷。感生金属线2的材质可以为铝、银等导电金属，在E型悬臂梁3振动时，感生金属线2可以随E型悬臂梁3的振动而同步作切割磁力线运动从而产生感生电动势。

本实施例中，所述感生金属线2被设于E型悬臂梁3的自由端31和固支的左右侧臂32、33上。所述感生金属线2上还设有测量锚区1，该测量锚区的宽度比感生金属线2的宽度大，测量锚区可通过引线键合的方式与测量感生电动势的仪表连接。将感生金属布在E型悬臂梁的自由端是因为整个E型悬臂梁结构中该部分是振动速度最快的部分，在同样的磁场作用下，感生电压的幅度也最大。

实施例2

一种运用实施例1所述微机电系统磁场传感器的测量方法，首先施加外加激励使得E型悬臂梁3产生振动，与E型悬臂梁3同步运动的感生金属线2作切割磁力线运动而感生出感生电压，再测量所述的感生电压，就可以获得环境磁场的强度。

外加激励可以为压电陶瓷等外在的激励源，使其振动；另外一种方案是：所述E型悬臂梁3与衬底4绝缘，在衬底4上相应地设有与E型悬臂梁3平行的电极，所述外加激励的方法为：在E型悬臂梁3以及电极之间之间加上交流电压信号使其振动，即采用静电力对其施加振动，施加静电力进行振动的优点是可以更加精确的控制振动速度以及振动频率，从而适应不同磁场强度的测量，有利于测量精度、灵敏度以及量程的提高。根据外加激励以及梁的材质参数，可以计算出悬臂梁的运动速度，再结合测量得到的感生电压的大小，就可以得到磁场强度。

所述外加激励的频率等于E型悬臂梁3的谐振频率，在E型悬臂梁3谐振频率处振动，可以使其产生更大的振幅和振动速度，从而提高其测量精度和灵敏度。

实施例3

本发明是一种用于测量磁场的MEMS磁场传感器，由测量锚区1、感生金属线2、E型悬臂梁3、衬底4构成。该传感器以衬底4为平面，在衬底4上设有由感生金属线2、E型悬臂梁3、锚区1组成的、左右对称于中线的传感器结构，感生金属线2能随E型悬臂梁3的振动而运动。

感生金属线2可以是Al、Au等，感生金属线2、测量锚区1通过刻蚀得到的。感生金属线2上测量得到电压的数值，电压的变化取决于磁场的大小和感生金属线切割磁力线速度的大小，速度可以测量得到，所以可以通过测量电压得到磁场的信息。

本例提出的磁场测试结构主要采用表面微机械加工技术实现。首先在硅衬底上氧化形成一层SiO₂薄膜，然后再生长一层Si₃N₄绝缘层，这样就构成传感器结构总的衬底4，接着在Si₃N₄表面生长一层PSG牺牲层，淀积生长一层低应力的多晶硅结构层。对该多晶硅进行掺杂以降低电阻，然后氧化形成一层SiO₂膜，再对表面溅射金属Al表面并光刻形成感生金属线2，通过光刻与刻蚀工艺，形成E型悬臂梁3结构并腐蚀PSG释放结构。

磁场是利用感生电压的方法来测量的，即当该传感器处于磁场中时，通过激励使E型悬臂梁3发生振动，E型悬臂梁3的运动方向与磁场垂直，E型悬臂梁3带动其结构上方的感生金属线2运动，感生金属线2在磁场中运动感生出电压，而电压的大小取决于磁场的大小和感生金属线2运动的速度，通过测量感生金属线2上的电压，测得到磁场的大小。

Claims (8)

1.一种微机电系统磁场传感器，其特征在于该传感器包括衬底(4)、E型悬臂梁(3)、感生金属线(2)，E型悬臂梁(3)平行悬空设于衬底(4)的上方，且左侧臂(32)、右侧臂(33)、中臂(34)与衬底(4)相连接；感生金属线(2)被设于E型悬臂梁(3)上表面，并能与E型悬臂梁(3)同步运动。

2.根据权利要求1所述的微机电系统磁场传感器，其特征在于所述感生金属线(2)被设于E型悬臂梁(3)的自由端(31)和固支的左侧臂(32)、右侧臂(33)上，感生金属线(2)通过测量锚区(1)连接在衬底(4)上。

3.根据权利要求1或2所述的微机电系统磁场传感器，其特征在于在感生金属线(2)与E型悬臂梁(3)之间设有绝缘层，在衬底(4)的下部设有与E型悬臂梁(3)平行的电极(10)。

4.根据权利要求1或2或3所述的微机电系统磁场传感器，其特征在于所述感生金属线(2)镀在E型悬臂梁(3)的远离衬底的上表面。

5.一种如权利要求1所述的微机电系统磁场传感器的测量方法，其特征在于，首先施加外加激励使得E型悬臂梁(3)产生振动，与E型悬臂梁(3)同步运动的感生金属线(2)作切割磁力线运动而感生出感生电压，再测量所述的感生电压，就可以获得外加磁场的强度。

6.根据权利要求5所述的微机电系统磁场传感器的测量方法，其特征在于，所述E型悬臂梁(3)与衬底(4)绝缘，在衬底(4)的下部相应地设有与E型悬臂梁(3)平行的电极(10)，所述外加激励的方法为：在E型悬臂梁(3)以及电极之间之间加上交流电压信号使其振动。

7.根据权利要求5或6所述的微机电系统磁场传感器的测量方法，其特征在于，所述外加激励的频率等于E型悬臂梁(3)的谐振频率。

8.一种根据权利要求1所述的微机电系统磁场传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：利用表面微机械加工技术在衬底(4)上加工E型悬臂梁(3)，再在其表面溅射金属Al表面并光刻形成感生金属线(2)，最后通过腐蚀牺牲层PSG释放结构形成E型悬臂梁(3)。

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