CN101408595B - 一种扭摆式微型磁敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了传感器制造技术领域中的一种扭摆式微型磁敏感器。技术方案是，扭摆式微型磁敏感器包括表头芯片和检测控制电路；表头芯片由低阻硅片和玻璃基底键合而成；检测控制电路包括高频调制模块、一次同步解调模块、锁相环、二次同步解调模块。低阻硅片由可动结构和支座构成；可动结构包括扭摆、两根折叠梁、应力释放结构和阻尼孔；可动结构上面加工有上层金属线圈、下层金属线圈、T字型开口和SiNx绝缘层；玻璃基底上包含金属极板、金属极板引线电极和硅引线电极；支座与玻璃基底阳极键合，并使可动结构与玻璃基底脱离，成悬空状态。本发明提供的磁敏感器制作简便、灵敏度高、灵活性强；输出的信号准确、稳定。

Description

一种扭摆式微型磁敏感器

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，尤其涉及一种扭摆式微型磁敏感器。

背景技术

磁敏感器在工业、农业、国防、生物、医学、航空航天等领域具有极为广泛的应用，如工业和装备领域的管道探测、磁探伤、剩磁测量、磁悬浮列车、磁性扫雷、舰船消磁、武器搜索、导弹磁导以及爆炸物探测和磁导航；另外，在生物及医学领域的血清磁化率、心磁图、脑磁图检测等方面也都有重要应用。随着需求的不断扩展和提高，迫切需要研制出更高精度、更小尺寸、并能够满足弱磁场检测的传感器。

高灵敏度微型磁敏感器是一种基于MEMS微加工技术、具有扭摆结构的谐振式磁敏感器，它具有体积小、灵敏度高、价格低廉等优点。其工作原理如下：通有交流电流的金属线圈在被测磁场中受到交变洛仑兹力的作用，该洛仑兹力使低阻硅片上的可动结构处于绕扭梁扭转的谐振状态，因此扭摆与玻璃基底上金属极板的距离产生微小变化，最终导致检测电容值在静态值附近产生交流变化。该检测电容变化幅值便可以反映外界被测磁场强度。

磁导航定姿技术是此类磁敏感器一个非常重要的应用前景。飞行器以及船只可以通过安置在其主体上的3个高灵敏度微型磁敏感器来实现其导航方向以及姿态的控制。每个磁敏感器都对某一特定方向的磁场敏感，因此通过合理布置3个磁敏感器使其分别敏感3个正交方向的磁场强度，便可以测得所在位置的地磁场大小以及方向，从而实现飞行器以及船只的导航及姿态控制。

目前国内还没有研制出高灵敏度微型磁敏感器。从查阅的外文资料看，国外只有美国、英国以及荷兰研制出类似的磁敏感器，但是这些传感器大都加工工序复杂，驱动力矩有限。因此其成品制成率较低，分辨率不足，并没有得到产品化。

1997年，美国加州理工学院和加州大学设计了扭摆式结构、压阻检测谐振式磁强计。该磁强计是在扭摆表面制作金属线圈，并通过L形梁中制作的压敏电阻，构成惠斯通电桥来检测外界磁场变化。但是由于压敏电阻对温度等环境变化十分敏感，该磁强计灵敏度不高，且制作难度比较大。

另外，荷兰代夫特理工大学也研制出类似的扭摆式微型谐振磁敏感器。但是其扭摆上只制作有一层线圈，其驱动能力不足。且其扭梁的结构为普通直梁，具有较大的刚度，能够实现的扭转角度范围有限，从而使系统的灵敏度非常有限。而且，为了实现检测电容结构而制作的金属上极板在引线以及封装方面都存在较大的难度，使得器件在工艺上实现较为困难，加工成品率较低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有微型磁敏感器灵敏度有限、加工难度大的问题。

本发明的技术方案是，一种扭摆式微型磁敏感器，包括表头芯片和检测控制电路两部分，其特征是，所述表头芯片由低阻硅片和玻璃基底键合而成；所述检测控制电路包括高频调制模块、一次同步解调模块、锁相环和二次同步解调模块；

所述低阻硅片由可动结构和支座构成；

所述低阻硅片的可动结构包括扭摆、两根折叠梁、应力释放结构和阻尼孔，可动结构通过固结在支座上的两根折叠梁扭摆运动；

所述可动结构上面加工有上层金属线圈、下层金属线圈、T字型开口和SiNx绝缘层；

所述上层金属线圈从可动结构的一端通过一根折叠梁引入扭摆结构表面，在扭摆表面从外向内逐匝盘绕；

所述下层金属线圈从内向外逐匝盘绕，并从可动结构的另一端通过另一根折叠梁引出扭摆结构表面，

所述上层金属线圈与所述下层金属线圈的盘绕方式相同，同为顺时针方向或者逆时针方向；两层金属线圈被中间留有T字形开口的SiNx绝缘层隔开，并通过中间的T字型开口实现电气连接；同时，两层金属线圈还通过两根折叠梁分别与支座上的金属线圈引线电极相连；

所述阻尼孔位于所述扭摆上；

所述玻璃基底上包含金属极板、金属极板引线电极和硅引线电极；

所述支座与玻璃基底的硅引线电极相连，并使可动结构与玻璃基底脱离，成悬空状态，所述扭摆与玻璃基底具有5um-20um的间隙。

所述扭摆的厚度为50um-70um。

所述上层金属线圈的材料为金，厚度为0.8um-1.5um；所述下层金属线圈材料为金，厚度为0.8um-1.5um。

所述金属引线电极与金属极板相连。

所述金属引线电极通过金丝与检测控制电路相连。

所述硅引线电极上键合金丝引线；所述金属极板引线电极上键合金丝引线；硅引线电极、金属极板引线电极和金丝引线的材料均为金。

所述低阻硅片的主体材料为电阻率在0.001～0.004Ω·cm的单晶硅。

所述金属极板为两个差动变化电容的固定极板。

所述折叠梁由主梁和侧梁构成，主梁宽20um-30um，侧梁宽为主梁宽度的一半，主梁与侧梁之间的距离以及侧梁之间的距离为10um-15um。

所述上层金属线圈和所述下层金属线圈分别通过两个侧梁汇合到中央主梁，继而从折叠梁表面引入或引出扭摆结构表面。

本发明的效果在于，表头芯片采用MEMS工艺，低阻硅片上的可动结构通过ICP工艺释放，因此敏感器制作简便；双层线圈提高了探测的灵敏度；折叠梁结构减小了梁在扭转方向的刚度，提高了灵活性；设计的检测控制电路，保证了扭摆始终在其固有频率下振动，从而提高了磁敏感器输出信号的准确性和稳定性。

附图说明

图1是扭摆式微型磁敏感器的主体结构图。

图2是扭摆式微型磁敏感器的工作原理图。

图3是扭摆式微型磁敏感器低阻硅片部分平面结构图。

图4是扭摆式微型磁敏感器玻璃基底部分平面结构图。

图5是扭摆式微型磁敏感器的折叠梁结构图。

图6是扭摆式微型磁敏感器双层线圈结构图。

图7是扭摆式微型磁敏感器双层线圈截面图。

图8是扭摆式微型磁敏感器检测控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明所提出的扭摆式微型磁敏感器包括表头芯片和检测控制电路两部分。其中表头芯片由低阻硅片和玻璃基底键合而成。图1是扭摆式微型磁敏感器的主体结构图。其中低阻硅片部分包含扭摆6，折叠梁7和阻尼孔13。扭摆6厚度为50um-70um。上层金属线圈8位于扭摆6的表面，并且折叠梁7的两端被固结在支座上。扭摆6以及折叠梁7与玻璃基底10脱离，成悬空状态。玻璃基底10中嵌有金属极板9，它与上方的扭摆6具有5um-20um的间隙，构成可以差分变化的电容。

图2是扭摆式微型磁敏感器的工作原理图。在工作状态下，上层金属线圈8中通入频率为可动结构固有频率的交流电流。当外界具有水平方向，并且垂直于折叠梁7的待测磁场B时，根据电磁学基本知识，金属线圈两侧部分的导线会受到垂直方向的交变洛仑兹力F的作用。此交变洛仑兹力F作用在扭摆6的两侧产生交变扭矩，使扭摆6绕折叠梁7扭转振动。该扭转振动导致扭摆6与金属极板9之间的电容间隙产生交替变化，从而导致电容值在恒定值附近产生交流变化。并且，从图2中可以看出，扭摆6在扭转过程中，金属极板9与扭摆6形成的两个电容值差动变化，此种变化模式可以有效地减小电容变化时所产生的共模噪声。因此，通过测量该电容值差动交流变化幅值的大小便可以得到外界待测磁场强度。

图3是扭摆式微型磁敏感器低阻硅片部分平面结构图。低阻硅片的主体材料为电阻率在0.001～0.004Ω·cm的单晶硅。低阻硅片上的可动结构包括扭摆6，折叠梁7，应力释放结构12以及阻尼孔13。其中折叠梁7的一端与支座14相连接，支座14固支在玻璃基底上，并且与图4中玻璃基底上的硅引线电极17相连。由于工艺过程中存在残余应力，因此应力释放结构12能够通过横跨可动结构中心的梁的压缩扩张有效地释放或减小折叠梁7中的残余应力。同时，扭摆6上还具有阻尼孔13，它的作用是减小扭摆6与玻璃基底10之间空气膜所产生的压膜阻尼效应，此种效应会很大程度上衰减扭摆6的振幅，从而降低系统的灵敏度。金属线圈结构中包含上层金属线圈8，下层金属线圈11以及金属线圈引线电极15。上层金属线圈8从一端通过折叠梁引入扭摆结构表面，在扭摆表面由外向内逐匝盘绕，接近扭摆中心的金属线圈部分无法直接从扭摆表面通过另一端的折叠梁引出，否则的话线圈将会产生交叠，导致短路现象。因此，在之前的工艺步骤中制作有下层金属线圈11，它位于上层金属线圈下，与上层金属线圈不在同一工艺层中。下层金属线圈与上层金属线圈通过扭摆中间的T型开口相连，并且通过折叠梁最终与支座上的金属线圈引线电极15相连。而金属线圈引线电极15最终通过金丝引线与外界检测控制电路相连接。下层金属线圈11厚度为0.5um-1.5um，两层金属线圈之间垫积的SiNx绝缘层为0.5um-1um，上层金属线圈8厚度为0.8um-1.5um。

图4是扭摆式微型磁敏感器玻璃基底部分平面结构图。其中包含金属极板9，金属极板引线电极16以及硅引线电极17。金属极板9为两个差动变化电容的固定极板。金属引线电极16与金属极板9相连，硅引线电极17与图3中的支座14相连。该磁敏感器硅电极的金丝引线与金属极板的金丝引线被分别键合在硅引线电极17与金属极板引线电极16上。

扭摆式微型磁敏感器表头芯片低阻硅片部分的结构设计体现了本发明的突出特点。该表头芯片基于以“硅-玻璃”键合为基础的体硅工艺，采用低阻硅作为可动结构的主体材料，这使得扭摆自身可以作为可变电容极板，大大降低了工艺复杂性，使得成品率得到提高。

另外，折叠梁结构是本发明的另一大特点。图5是扭摆式微型磁敏感器的折叠梁结构图。为了使扭摆在洛仑兹力的作用下能够产生更大角度的扭转，扭梁的刚度需要尽量低。同时，与刚度较大的扭梁相比，刚度较小的扭梁实现同样的扭转角度所需的洛仑兹力更小，这样可以降低通入金属线圈中交流电流的幅值，从而减小金属线圈的发热量，增加磁敏感器的寿命。在图5中，折叠梁由两部分构成：主梁18和侧梁19。主梁宽约20um-30um，侧梁宽约主梁的一半，主梁18与侧梁19之间的距离以及侧梁19之间的距离约为10um-15um。主梁与侧梁间距很小，每段梁都可以近似认为只产生扭转作用。因此，折叠梁的作用可以近似等同于一段较长的直梁。但是折叠梁结构所占的空间相对于长直梁结构大大缩小，因此，折叠梁的方案可以在不增大磁敏感器体积的前提下提高系统的灵敏度，在对空间体积要求很小的情况下本设计具备极大的优越性。此外，由于折叠梁结构中有两个侧梁分别与支座14相连接，金属线圈可以分别通过两个侧梁汇合到中央主梁继而从扭梁表面引入或引出扭摆结构表面。这相当于增加了扭梁表面金属线圈导线的横截面积，进而增加了允许通入其中的交流电流最大幅值，进一步提高了系统的灵敏度。

对于单层金属线圈的结构方案，虽然起到产生扭矩作用的金属线圈是单层的，但是为了实现金属线圈的引入和引出，实际上整个金属线圈结构包含了两层金属线圈层。因此，为了增大在通入一定电流下工作状态时通电金属线圈的驱动力矩，我们可以在保证实现下层线圈引线层引出作用的同时，将其做成绕向从内向外的，与上层金属线圈绕向相同的线圈结构(从垂直于扭摆的方向看)。这样，在相同幅值的驱动电流作用下，扭摆能够获得2倍于单层线圈结构所能获得的驱动力矩，从而提高了系统的灵敏度。

图6是扭摆式微型磁敏感器双层线圈结构图。如图6所示，双层金属线圈结构包括上层金属线圈8和下层金属线圈11，两层金属层通过中间T字型结构20实现电气连接。上层金属线圈绕向为从外向内，下层金属线圈绕向为内向外，两层金属线圈的盘绕方向相同，同为顺时针或逆时针方向。

图7是扭摆式微型磁敏感器双层线圈截面图。如图7所示，上层金属线圈8与下层金属线圈11通过T字型结构20相连接。22为SiNx绝缘层，23为低阻硅主体结构层。金丝引线21从一端的金属线圈引线电极15引入，从另一端金属线圈引线电极引出。阻尼孔结构13可以有效地减小器件工作在谐振状态下所受到的阻尼作用。

做成上述表头芯片的步骤为：

步骤1：在低阻硅片背面刻蚀出台阶结构作为支座，供低阻硅片与玻璃基底键合所用。

步骤2：在玻璃基底上采用剥离工艺制作Au金属极板。

步骤3：低阻硅片与玻璃基底阳极键合，并将低阻硅片减薄至一定厚度。

步骤4：在低阻硅片正面沉积SiNx绝缘层。

步骤5：在SiNx薄膜上溅射Au，作为下层金属线圈，并图形化Au层。

步骤6：再次沉积SiNx薄膜，并将其图形化以保证下层金属线圈层与上层金属线圈层的联接。

步骤7：再次沉积Au用以制作上层金属线圈层，并将其图形化。

步骤8：采用ICP工艺刻蚀出扭摆、阻尼孔、折叠梁以及应力释放结构。

图8是扭摆式微型磁敏感器检测控制电路原理图。将频率为系统谐振频率的信号通入线圈，在外界磁场作用下，将产生洛仑兹力作用于扭摆，使其做谐振运动，通过敏感电容检测扭摆振幅。其中，电容检测要经过高频调制来减小极板间的静电力。电容测量电路输出的信号经同步解调后得到的是表征极板电容变化的信号，其频率为系统谐振频率，将其放大后，再进行同步解调即可得到与被测磁场成正比的直流输出信号。另外，系统采用的锁相环激振信号频率与谐振输出频率相等，使激振信号跟踪器件结构谐振频率的变化，使系统始终工作在谐振频率处，充分利用谐振式传感器的高Q值使系统灵敏度达到最优。

谐振式磁强计采用电容检测方式，电容检测需要对信号进行高频调制。将谐振器位移变化转化为电容变化，所以检测电容值可视为位移x的函数。电容值主要取决于极板位移，可写成：

Q＝C(x)V

其中，Q是电容所带电荷，V是电容电压，C(x)代表电容是关于一个或多个位移变量的函数。由于流过电容的电流是电荷关于时间的微分，可得：

$i_C=C\left(x\right)\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+V\frac{\∂C}{\∂x}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}$

输入调制信号为比较高频的正弦波交流源，所以上式中第二项可忽略不计，可以从输出正弦波振幅测出电容值。测量电容时，极板动作都会伴有静电力产生，从而对位置测量产生干扰。高频调制可减小静电力干扰。

谐振式磁强计电容检测模块输出为被载波信号调制了的高频信号，所以为得到谐振器真实的位移信号，需要对其进行解调。另外，为得到与外界磁场成正比的直流信号，也需要对第一次解调出的位移信号进行第二次解调，提取出其幅值信息。

当采用交流信号源测量电容时，基本测量电路的输出也为交流信号，其幅值和被测电容值成正比。我们采用同步解调器对其进行两次解调，解调后将结果通过一个低通滤波器，将低频有用信号保留下来。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种扭摆式微型磁敏感器，包括表头芯片和检测控制电路两部分，其特征是，所述表头芯片由低阻硅片和玻璃基底键合而成；所述检测控制电路包括高频调制模块、一次同步解调模块、锁相环和二次同步解调模块；

所述低阻硅片由可动结构和支座构成；

所述低阻硅片的可动结构包括扭摆、两根折叠梁、应力释放结构和阻尼孔，可动结构通过固结在支座上的两根折叠梁扭摆运动；

所述可动结构上面加工有上层金属线圈、下层金属线圈、T字型开口和SiNx绝缘层；

所述上层金属线圈从可动结构的一端通过一根折叠梁引入扭摆结构表面，在扭摆表面从外向内逐匝盘绕；

所述下层金属线圈从内向外逐匝盘绕，并从可动结构的另一端通过另一根折叠梁引出扭摆结构表面，

所述上层金属线圈与所述下层金属线圈的盘绕方式相同，同为顺时针方向或者逆时针方向；两层金属线圈被中间留有T字形开口的SiNx绝缘层隔开，并通过中间的T字型开口实现电气连接；同时，两层金属线圈还通过两根折叠梁分别与支座上的金属线圈引线电极相连；

所述阻尼孔位于所述扭摆上；

所述玻璃基底上包含金属极板、金属极板引线电极和硅引线电极；

所述支座与玻璃基底的硅引线电极相连，并使可动结构与玻璃基底脱离，成悬空状态，所述扭摆与玻璃基底具有5um-20um的间隙。

2.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述扭摆的厚度为50um-70um。

3.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述上层金属线圈的材料为金，厚度为0.8um-1.5um；所述下层金属线圈材料为金，厚度为0.8um-1.5um。

4.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述金属引线电极与金属极板相连。

5.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述金属引线电极通过金丝与检测控制电路相连。

6.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述硅引线电极上键合金丝引线；所述金属极板引线电极上键合金丝引线；硅引线电极、金属极板引线电极和金丝引线的材料均为金。

7.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述低阻硅片的主体材料为电阻率在0.001～0.004Ω·cm的单晶硅。

8.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述金属极板为两个差动变化电容的固定极板。

9.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述折叠梁由主梁和侧梁构成，主梁宽20um-30um，侧梁宽为主梁宽度的一半，主梁与侧梁之间的距离以及侧梁之间的距离为10um-15um。

10.根据权利要求1所述的一种扭摆式微型磁敏感器，其特征是所述上层金属线圈和所述下层金属线圈分别通过两个侧梁汇合到中央主梁，继而从折叠梁表面引入或引出扭摆结构表面。

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