CN102759720A

CN102759720A - 一种易于封装的磁场传感器

Info

Publication number: CN102759720A
Application number: CN2012102368907A
Authority: CN
Inventors: 陈洁; 黄庆安; 秦明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102759720B

Abstract

本发明公开了一种易于封装的磁场传感器，该磁场传感器包括四个悬臂梁、悬臂梁锚区、第一支撑柱、金属层、氧化硅膜层和硅膜层，悬臂梁锚区固定在第一支撑柱的顶面；四个悬臂梁呈十字形，固定在悬臂梁锚区的侧壁上；每个悬臂梁的顶面设有一圈金属线，悬臂梁锚区和第一支撑柱中设有八个连接通孔，金属层通过连接通孔与金属线连接；氧化硅膜层固定在硅膜层的顶面，金属层固定在氧化硅膜层的顶面，第一支撑柱固定在金属层的顶面；焊盘为八个，八个焊盘位于悬臂梁的外侧，焊盘和金属层之间设有第二支撑柱，第二支撑柱中设有连接孔，金属层通过连接孔与传感器的焊盘连接。该磁场传感器封装方便，能够降低引线对传感器性能的影响。

Description

一种易于封装的磁场传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种易于封装的磁场传感器。

背景技术

磁场传感器有着悠久的历史，指南针的发明，到现在有着更加广阔的应用领域，智能通讯、交通导航、数据存储等都需要使用磁场传感器。

随着微机电系统（MEMS）技术的发展，大大推动了MEMS磁场传感器的发展，出现了一些微型磁场传感器的结构，硅技术的大批量制造使得昂贵的设计制造成本得到了极大的降低，同时新发展的MEMS工艺能够在硅衬底上利用IC后处理工艺制作各种机械结构，为磁场传感器的设计开辟了新的途径。近年来，实现了一些MEMS微磁场传感器的结构，如法国的Vincent Beroulle、Laurent Latorre通过测量压阻的输出检测磁场； Beverley Eyre等人设计的扭摆式MEMS磁场传感器，测量在磁场作用下受力后结构扭摆的幅度，来测量磁场的大小；R.Sunier提出的谐振式磁场传感器，通过测量谐振频率来测量磁场；谐振式磁场传感器，包括一个两端有间隙的磁聚能器，制作的材料需要使用软磁材料。这些磁场传感器只能测量磁场的大小。磁场传感器的封装对传感器性能有着重要的影响，由于金属线在磁场作用下能够受到洛仑兹力的作用，不恰当的引线可能会引起导线的相互作用，影响传感器的性能。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种易于封装的磁场传感器，该磁场传感器封装方便，能够降低引线对传感器性能的影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种易于封装的磁场传感器，该磁场传感器包括四个悬臂梁、悬臂梁锚区、第一支撑柱、金属层、氧化硅膜层和硅膜层，悬臂梁锚区固定在第一支撑柱的顶面；四个悬臂梁呈十字形，固定在悬臂梁锚区的侧壁上；每个悬臂梁的顶面设有一圈金属线，悬臂梁锚区和第一支撑柱中设有八个连接通孔，金属层通过连接通孔与金属线连接；氧化硅膜层固定在硅膜层的顶面，金属层固定在氧化硅膜层的顶面，第一支撑柱固定在金属层的顶面；焊盘为八个，八个焊盘位于悬臂梁的外侧，焊盘和金属层之间设有第二支撑柱，第二支撑柱中设有连接孔，金属层通过连接孔与传感器的焊盘连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.结构简单，能同时实现磁场方向和幅度测量。本发明是用于测量磁场方向和幅度的磁场传感器，该传感器以衬底为平面，在衬底上方设有悬臂梁、金属线、锚区。采用对称结构，属于平衡振动，振型相对比较干净，在相同受力的情况下会增加结构的运动位移。当该传感器处于磁场中时，悬臂梁上金属线受洛伦兹力的作用产生振动，在两种不同振动形式可以测量得到悬臂梁不同磁场方向下的位移，得到不同的磁场分量，从而达到测量磁场方向的目的，进而可以测量磁场幅度。所取的测量点是梁边缘的对于P1对称的1/4和3/4处，测量该两点的值后取平均，可以消除受力引起的扭转因素，利于测量的准确性。本发明利用金属线加上交流信号感应出洛伦兹力来驱动悬臂梁的十字梁结构，采用对称结构，属于平衡振动，在相同受力的情况下会增加结构的运动位移。本发明对所测量点的位置测量可以采用光学的方法得到，也可以采用电容的方法得到。

2.功耗小、灵敏度高、精度高、受温度影响小、性能可靠。本发明利用测量不同振动下悬臂梁的位移，来测量磁场的方向。整个测量过程中电流很小，功耗低。另外，本发明将金属线设于悬臂梁四周。这样，在同样的磁场条件下，悬臂梁受力最大而振动幅度也最大，因此功耗小，其灵敏度和精度较高。相对热驱动的传感器而言，本磁场传感器用洛伦兹力相对比较容易驱动，受温度影响小。同时，本磁场传感器中，只要有磁场和电流存在，悬臂梁就会产生振动，性能可靠。

3. 能减小封装引线对传感器的影响。传感器上的焊盘与引线连接，焊盘设置在悬臂梁的外侧，这样，引线失效对传感器悬臂梁不会造成影响。将传感器结构与封装的引线分开，能减小封装引线对传感器的影响，防止引线由于受到磁场力作用，引起坍塌，从而导致与磁场传感器表面金属线碰撞引起短路，或者与金属线连接后减小起作用的金属线的长度，影响磁场传感器的有效作用力，降低传感器的性能。

4.将与引线连接的焊盘设置在悬臂梁的外侧，减小了引线的长度，能够减小引线在磁场中受力的作用，减小功耗。

5. 将与引线连接的焊盘设置在悬臂梁的外侧，减低了引线的高度，减小与外封装壳接触的风险，性能更加可靠。

附图说明

图1是本发明的俯视图，其中，位于最外侧的实线框和位于中部的实线框之间是锚区。

图2是本发明的纵向剖视图。

图中有：连接通孔1、金属线2、悬臂梁3、焊盘4、连接孔41、悬臂梁锚区5、第一支撑柱6、金属层7、氧化硅膜层8、硅膜层9。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种易于封装的磁场传感器，包括四个悬臂梁3、悬臂梁锚区5、第一支撑柱6、金属层7、氧化硅膜层8和硅膜层9，悬臂梁锚区5固定在第一支撑柱6的顶面。第一支撑柱6呈柱状，且由氧化硅制成。四个悬臂梁3呈十字形，固定在悬臂梁锚区5的侧壁上；每个悬臂梁3的顶面设有一圈金属线2，悬臂梁锚区5和第一支撑柱6中设有八个连接通孔1。每个连接通孔1中设有第一金属柱，第一金属柱将金属线2的端部和金属层7连接。氧化硅膜层8固定在硅膜层9的顶面，金属层7固定在氧化硅膜层8的顶面。第一支撑柱6固定在金属层7的顶面。焊盘4为八个，八个焊盘4位于悬臂梁3的外侧，焊盘4和金属层7之间设有第二支撑柱，第二支撑柱中设有连接孔41，连接孔41中设有第二金属柱，该第二金属柱将焊盘4与金属层7连接。金属层7上设有八个第一金属柱和八个第二金属柱。每个第一金属柱与一个连接通孔1相配合，第一金属柱与金属线2连接。每个第二金属柱与一个连接孔41相配合，第二金属柱与焊盘4连接。

焊盘4分布在传感器结构的外侧，如图1所示，焊盘4分布在最外侧的实线框和中部的实线框之间。这样，焊接4引线的时候不足要跨接在传感器结构的上方，这样传感器的结构的运动就不会受到传感器引线的影响，不至于由于结构运动与传感器的引线连接在一起，引起短路。同时，引线接在传感器的外侧，这样引线的跨接高度不会太高，不会与外壳接触，降低了封装的要求。

进一步，悬臂梁3和悬臂梁锚区5为整体式结构，且均由氮化硅制成。

该磁场传感器的工作过程是：如图1中，在传感器中施加一个任意的正弦电流，测量横向悬臂梁以及纵向悬臂梁上的两点的位移。测量点为每个横向悬臂梁边缘或纵向悬臂梁边缘的1/4和3/4处，即两点相对于悬臂梁边缘中点对称，例如图1中的P1点和P2点，P3点和P4点。在横向磁场B_H的作用下，横向悬臂梁上的金属线和金属线不受力的作用，而金属线受到洛仑兹力的作用，力的方向垂直纸面，这样横向悬臂梁就会产生位移，而对于纵向的磁场B_V，金属线和金属线受到洛仑兹力的作用，力的方向垂直纸面，且作用的方向相反，这样横向悬臂梁就会发生扭转，而金属线不受力的作用，综合这两个方向磁场的作用，横向的悬臂梁会发生扭转以及弯曲，取横向悬臂梁边缘的1/4和3/4处两点的位移相加，再平均，可以消除由于扭转引起的不平衡运动，得到的位移仅仅是横向悬臂梁受横向磁场的作用。同理，纵向悬臂梁边缘1/4和3/4处两点的位移相加，再平均，得到的位移仅仅是纵向悬臂梁受纵向磁场的作用。由此，横向悬臂梁的位移和纵向悬臂梁的位移为整个磁场的分量，按照正交原理，可以得到磁场的方向和幅度。在图1中，B表示任意方向的一个磁场，B_H表示磁场水平方向的分量，B_V表示磁场垂直方向的分量。

上述结构的磁场传感器的制备过程是：利用微机械加工技术硅片氧化形成氧化硅膜层8，接着溅射金属，并图形化，涂覆一层硅，然后溅射一层氮化硅，然后再在其表面溅射金属Al表面并光刻形成金属线2，最后通过腐蚀释放结构形成悬臂梁3。金属线2可用蒸发或电镀的方法镀于悬臂梁3的上表面，也可以用溅射的方法在上述位置布置金属线2。当采用磁场力激励方式使悬臂梁3振动时，需要在金属线2与支撑柱6之间设有绝缘层，本例中采用氮化硅膜层为绝缘层。金属线2的材质可以为铝、银等导电金属。

Claims

1.一种易于封装的磁场传感器，其特征在于，该磁场传感器包括四个悬臂梁（3）、悬臂梁锚区（5）、第一支撑柱（6）、金属层（7）、氧化硅膜层（8）和硅膜层（9），悬臂梁锚区（5）固定在第一支撑柱（6）的顶面；四个悬臂梁（3）呈十字形，固定在悬臂梁锚区（5）的侧壁上；每个悬臂梁（3）的顶面设有一圈金属线（2），悬臂梁锚区（5）和第一支撑柱（6）中设有八个连接通孔（1），金属层（7）通过连接通孔（1）与金属线（2）连接；氧化硅膜层（8）固定在硅膜层（9）的顶面，金属层（7）固定在氧化硅膜层（8）的顶面，第一支撑柱（6）固定在金属层（7）的顶面；焊盘（4）为八个，八个焊盘（4）位于悬臂梁（3）的外侧，焊盘（4）和金属层（7）之间设有第二支撑柱，第二支撑柱中设有连接孔（41），金属层（7）通过连接孔（41）与传感器的焊盘（4）连接。

2.按照权利要求1所述的易于封装的磁场传感器，其特征在于，所述的第一支撑柱（6）呈柱状，且由氧化硅制成。

3.按照权利要求1所述的易于封装的磁场传感器，其特征在于，所述的悬臂梁（3）和悬臂梁锚区（5）为整体式结构，且均由氮化硅制成。