CN101533075A

CN101533075A - Mems水平谐振式磁强计

Info

Publication number: CN101533075A
Application number: CN200910131270A
Authority: CN
Inventors: 尤政; 胡穆之; 杨建中
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2009-09-16
Also published as: CN101475139A

Abstract

本发明公开了传感器制造技术领域中的一种MEMS水平谐振式磁强计。技术方案是，MEMS水平谐振式磁强计的表头芯片由硅片和玻璃基底组成，硅片通过硅－玻璃阳极键合方式制作在玻璃基底表面；硅片由可动结构和固定结构组成，可动结构包括3个谐振梁和2或4组对称的梳齿电容极板；固定结构包括2或4组固定于玻璃基底的梳齿电容极板；谐振梁上表面制作有SiNx绝缘层；SiNx绝缘层上表面制作有金属导线层；玻璃基底表面制作10个金属极板；金属极板的宽大部分压焊引出10根电容检测导线；金属导线层两侧宽大部分通过压焊引出驱动电流导线。本发明的表头芯片内部结构层次分明，便于加工；并且具有更好的线性度和可扩展性。

Description

MEMS水平谐振式磁强计

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，尤其涉及一种MEMS水平谐振式磁强计。

背景技术

磁强计是用来测量周围环境磁场强度的传感器，在工业、农业、军事、生物、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。随着技术的进步和需求的不断提高，磁强计也向着微型化、低功耗、低成本、高灵敏度等方向发展。

MEMS(Micro Electro-Mechanical System，微机电系统)水平谐振式磁强计是一种采用MEMS微加工技术制作的微型磁强计，采用水平谐振式敏感结构，具有体积小、重量轻、精度高、功耗低、成本低、工艺简单等优点，具有良好的发展前景。其工作原理是利用通电导线在磁场中产生的洛仑兹力来检测磁场强度的大小。在悬臂梁中通过一定频率的交变电流，其频率等于悬臂梁的谐振频率，这样，当外界有磁场时，悬臂梁中的电流将受到洛仑兹力的作用使悬臂梁产生振动，其振幅和外界磁场强度的大小成正比关系，使用电容来检测振幅的大小，即可得到磁场强度的信息。

MEMS水平谐振式磁强计的性能受温度影响较小，其一项重要的应用是在飞行器、车辆和船只的姿态控制领域。通过在需要控制的物体的合适位置安装3个正交的磁强计，可以获得各个方向上的磁场强度分量信息，并与IGRF(International Geomagnetic Reference Field，国际地磁参考场)模型中该位置地球磁场强度的大小和方向信息相比对，即可得到被测物体的姿态信息。随着卫星技术尤其是微小卫星技术的不断发展，对微型磁强计的需求也变得越来越强烈，使用MEMS技术制作的微型磁强计也得到越来越广泛的关注。

目前，MEMS微型磁强计从原理上分，主要有霍尔效应式磁强计、磁致电阻式磁强计、磁通门式磁强计和基于洛伦兹力的谐振式磁强计等。其中磁致电阻式和霍尔效应式磁强计不适合微弱磁场的检测。磁通门式虽然适合弱磁场的检测，但由于尺寸的降低会直接引起灵敏度的降低，已不能适应各领域发展的要求。而谐振式磁强计能够充分利用硅材料良好的机械学特性，具有灵敏度高和精度高的特点，且不易受到温度变化的影响，并且结构相对简单，加工难度小，具有明显的优势。

MEMS谐振式磁强计分为扭摆式和水平式两种，例如近几年清华大学研制的扭摆式MEMS磁强计，其利用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，该洛仑兹力使可动结构处于绕扭梁扭转的谐振状态，导致扭摆线圈与玻璃基底上金属极板之间的电容值产生交流变化，通过检测电容变化幅值得到磁场强度的信息。该结构由于具有多层线圈，在加工工艺上较为复杂，并且扭摆极板和基底金属板之间的距离与电容值是反比关系，量程和灵敏度受到限制，加上扭摆的电容变化呈非线性，因此其性能受到一定制约。

MEMS水平谐振式检测原理类似于扭摆式，但谐振梁的振动方式改为在水平方向上，因而具有更高的灵敏度和更好的线性度，并且没有立体制作的导线线圈和磁性材料，加工相对容易。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有MEMS谐振式磁强计的线性度低和加工难度大的问题。

本发明的技术方案是，一种MEMS水平谐振式磁强计，包含表头芯片，其特征是所述表头芯片由硅片和玻璃基底通过硅-玻璃阳极键合方式制作在玻璃基底表面；

所述硅片由可动结构和固定结构组成，其中，可动结构包括3个谐振梁和2或4组对称的梳齿电容极板；固定结构包括2或4组固定于玻璃基底的梳齿电容极板；

所述谐振梁上表面制作有和谐振梁形状相同的SiNx绝缘层；

所述SiNx绝缘层上表面制作有和SiNx绝缘层形状相同的金属导线层；

所述可动结构的梳齿电容极板与所述固定结构的梳齿电容极板一一对应，构成差动电容；

所述玻璃基底表面通过溅射方式制作10个金属极板用作检测电容的导线引脚；

所述金属极板的宽大部分压焊引出10根电容检测导线，用于对电容变化量进行检测；

所述金属导线层两侧宽大部分通过压焊引出驱动电流导线，用于通过驱动电流。

所述硅片采用低阻硅制成。

所述可动结构和固定结构厚度相同，都采用ICP工艺制作。

所述SiNx绝缘层材料为氮化硅，并通过淀积的方式制作在可动结构的上表面。

所述金属导线层材料为金或铝，并通过淀积或者电镀的方式制作在SiNx绝缘层的上表面。

本发明的表头芯片内部结构层次分明，且各层之间无交叉和立体结构，便于加工；同时，相比于扭摆谐振式磁强计，本发明具有更好的线性度和可扩展性。

附图说明

图1是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片内部玻璃基底立体图。

图2是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片内部结构示意图。

图3是MEMS水平谐振式磁强计工作原理图。

图4是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片内部结构层次放大示意图。

图5是谐振梁形状方案示意图。

图6是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片的加工工艺流程图。

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。

本发明提出的MEMS水平谐振式磁强计，其表头芯片内部结构由硅片和玻璃基底两部分键合而成。图1是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片内部玻璃基底立体图。图1中显示的表面是玻璃基底3的键合面，上面通过溅射方式制作了10个金属极板4用作检测电容的导线引脚。图2是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片的内部结构图，硅片部分主要材料为低阻硅，通过硅-玻璃阳极键合方式制作在玻璃基底3上，由可动结构和固定结构组成。其中，可动结构包括3个谐振梁1和2或4组对称的梳齿电容极板构成的梁结构，固定结构2包括2或4组固定于玻璃基底的梳齿电容极板。在谐振梁1的上表面，制作有和谐振梁形状相同的金属导线层5。

图3是MEMS水平谐振式磁强计工作原理图。图3中，可动结构的梳齿电容极板和固定结构2的梳齿电容极板对应构成差动电容。在谐振梁1中通以电流，这样，当有方向与谐振梁1正交的外加磁场作用时，谐振梁1将受到沿x方向的洛伦兹力的作用而产生形变。若在谐振梁1中通以交变电流，那么谐振梁1将产生在x方向上的振动。当通过的电流频率和谐振梁的一阶谐振频率相等时，该振动的振幅将被放大Q(品质因数)倍而易于检测。当电流强度的大小一定时，该振动的振幅将于外加磁场的强度成正比。该振动将引起可动结构的梳齿电容极板和固定结构2的梳齿电容极板间距的变化，进而引起两者之间电容的变化，通过检测电容的变化量，即可得到外加磁场强度的信息。通过将固定结构2对称摆放，可采用差动的方式检测电容的变化量，从而减少小电容变化时产生的共模噪声。

本发明的电容检测部分和驱动电流要进行隔离以避免短路，因此采用绝缘层立体引线的方式制作。图4是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片内部结构层次放大示意图。图4中，玻璃基底3上直接键合硅片7，硅片7与溅射在玻璃基底3上的金属极板4相连接。封装时，通过在金属极板4的宽大部分压焊引出10根导线用于对电容变化量进行检测。在硅片7的上表面，通过溅射的方式制作SiNx绝缘层6，其形状与金属导线层5相同，SiNx绝缘层6的材料为氮化硅，用于隔离驱动电流和检测电容。在SiNx绝缘层6上表面通过溅射或电镀的方式制作金属导线层5，其形状与SiNx绝缘层6相同，并完全与硅片7隔离。金属导线层5的材料为金或铝。封装时，在其两侧宽大部分通过压焊引出导线，用于通过驱动电流。

图6是MEMS水平谐振式磁强计表头芯片的加工工艺流程图。图6中，表头芯片内部结构部分采用SOG(Silicon on Glass)MEMS工艺制作，之后通过封装制作。具体步骤为：

步骤1：如图6(a)所示，在低阻硅片7上刻蚀出台阶，用于键合使用。

步骤2：如图6(b)所示，在玻璃基底3上通过剥离工艺制作Au金属极板4。

步骤3：如图6(c)所示，硅片7与玻璃基底3进行硅-玻璃阳极键合，并减薄到一定厚度。

步骤4：如图6(d)所示，在低阻硅片7上表面淀积SiNx绝缘层6。

步骤5：如图6(e)所示，在SiNx绝缘层6上表面溅射Au金属导线层5。

步骤6：如图6(f)所示，依次图形化金属导线层5和SiNx绝缘层6。

步骤7：如图6(g)所示，ICP刻蚀低阻硅片7，制作谐振梁1和固定极板2，并释放可动结构。

如图2所示，本实施例的梳齿电容极板个数为10个×4对，为提高或降低检测灵敏度，可采用更多或更少的梳齿电容的数量。图2所示谐振梁1为直梁形状，为减小可动部件系统刚度，谐振梁1可采用其他形状。图5是谐振梁形状方案示意图，图5中，图5(a)为图2中采用的直梁形状，采用如图5(b)中的“回”字形状或图5(c)中的“S”形状或者图5(d)中的折叠梁结构制作谐振梁1可在不增加磁强计体积的情况下大大降低可动部件的系统刚度，提高灵敏度。

本发的优点在于，结构简单，无需磁性材料，加工难度低。另外，表头芯片内部结构分为4层，层次分明，且各层之间无交叉和立体结构，便于加工。相比于扭摆谐振式磁强计，本发明具有更好的线性度和可扩展性。

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

1、一种MEMS水平谐振式磁强计，包含表头芯片，其特征是所述表头芯片由硅片和玻璃基底通过硅-玻璃阳极键合方式制作在玻璃基底表面；

所述谐振梁上表面制作有和谐振梁形状相同的SiNx绝缘层；

2、根据权利要求1所述的一种MEMS水平谐振式磁强计，其特征是所述硅片采用低阻硅制成。

3、根据权利要求1所述的一种MEMS水平谐振式磁强计，其特征是所述可动结构和固定结构厚度相同，都采用ICP工艺制作。

4、根据权利要求1所述的一种MEMS水平谐振式磁强计，其特征是所述SiNx绝缘层材料为氮化硅，并通过淀积的方式制作在可动结构的上表面。

5、根据权利要求1所述的一种MEMS水平谐振式磁强计，其特征是所述金属导线层材料为金或铝，并通过淀积或者电镀的方式制作在SiNx绝缘层的上表面，用于承载交变电流。