CN103090779A - 一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法，芯片包括激励线圈和谐振结构两部分，谐振结构位于芯片中心，拾振电阻中的参考电阻位于芯片周围，检测电阻布置在检测梁上，两组电阻都是一端与连入惠斯通电桥，一端接地；制备方法为：先清洗双面抛光SOI硅片，淀积氮化硅，背面光刻去掉特定区域的氮化硅，然后刻蚀下层单晶硅，去除正面的氮化硅，进行硼掺杂，获得P型掺杂硅检测电阻，再刻蚀光刻胶，形成平面线圈、直流导线、内引线的掩膜图案；然后溅射沉积铝，并去除剩余的光刻胶；光刻胶形成谐振梁图案，刻蚀形成谐振梁结构；最后经过划片得到所设计的基于谐振式结构的电涡流传感器的单个管芯，本发明实现对微位移、微缺陷的精确测量。

Description

一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术的电涡流传感器芯片及其制备方法，特别是一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法。 

背景技术

随着传感器技术和MEMS技术的不断进步，有力地促进了非接触测量技术的发展，出现了一些基于MEMS技术的非接触测量的新方法。电涡流传感器就是诸多测量方法中的一种，基于电涡流效应的传感器是一种电—磁—电式的传感器，它的敏感元件由线圈组成。线圈由正弦信号激励，使它产生一个同频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，会产生电涡流场，而此电涡流又将产生一交变磁场阻碍外磁场的变化，该变化会影响线圈的阻抗，感抗以及品质因子的变化，然后将这些参数的变化转变为电流或者电压的而变化进行测量，则可知被测参数。它的优点是长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点等。缺点是只能测量导体，并且在低频，微位移，微缺陷的情况下，灵敏度欠佳，例如大多数线圈探测时主要对缺陷和裂缝的接近边缘比较敏感，这会出现大信号将小信号掩盖的情况。 

目前，随着MEMS的技术的发展出现了越来越多利用不同原理测量的磁力计，例如谐振式磁力计、磁通门式磁力计、霍尔式磁力计等等，MEMS磁 力计的测量范围可以从1T到1fT，其中谐振式磁力计利用洛伦兹力原理在激励微机械结构产生谐振的传感器，可以检测的磁场范围可以灵敏度高达1T和最大分辨率为1nT。磁通门磁力计是利用缠绕在铁磁核心周围的激励和感应线圈之间磁通变化引起的电势不平衡来测量的，这样的传感器可以检测到静态和磁感应强度最大1mT的低频磁场，最大分辨率可达到100pT。霍尔式磁力计基于霍尔效应传导原理来测量静或变化磁场，它的敏感磁场范围可以从1mT到1T。综上，磁力计发展，尤其是针对低磁场测量的磁力计的发展，为进一步实现谐振式电涡流传感器提供了基础。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法，通过谐振结构的谐振状态，来提高电涡流传感器的灵敏度和分辨力，实现对微位移、微缺陷的精确测量。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，包括激励线圈6和谐振结构两部分，激励线圈6为矩形平面线圈结构，谐振结构由谐振梁10、直流导线8、拾振电阻7和惠斯通电桥连接构成，谐振结构位于芯片中心，激励线圈6围绕于谐振结构，谐振梁10包括中心梁10-3、布置直流导线8的驱动梁10-1和布置检测电阻的检测梁10-2，，驱动梁10-1和检测梁10-2两端根部通过中心梁10-3连接，拾振电阻7中的第一参考电阻7-1和第二参考电阻7-2位于芯片周围，第一检测电阻7-3、第二检测电阻7-4布置在检测梁10-2上，四个电阻组成惠斯通电桥；直流导线8沿谐振梁10方向由一端驱动梁10-1接入，从另一端驱动梁10-1接出。 

所述激励线圈6采用MEMS技术制作，所采用材料为铝，其截面为矩形，截面尺寸为宽为5～30μm，厚为1～5μm，匝数为13～20匝。 

所述的谐振梁10所使用材料为二氧化硅，沿梁方向呈轴对称结构，中心梁10-3为两根，尺寸相同均长800～1000μm，宽20～30μm，厚40～50μm，两梁间距80～100μm；驱动梁10-1和检测梁10-2两部分尺寸相同，均长100～150μm，宽20～30μm，厚80～90μm，两梁间距100～120μm，左右两部分完全一致。 

所述直流导线8所采用材料为铝，截面尺寸宽为5～30μm，厚为1～5μm。 

惠斯通电桥所用的拾振电阻7采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅，然后采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅，获得构成惠斯通电桥的四个相同阻值的拾振电阻，其中布置在检测梁的拾振电阻为检测电阻，其余为参考电阻。 

一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法，包括以下步骤： 

1）使用HF溶液清洗双面抛光SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅1、二氧化硅埋层2和下层单晶硅3组成，其中，二氧化硅埋层2将上层单晶硅1和下层单晶硅3隔离开； 

2）双面淀积氮化硅4，淀积厚度为0.1μm～0.2μm，为后续湿法腐蚀提供掩蔽和保护； 

3）在SOI硅片背面光刻，刻蚀去掉背面部分区域的氮化硅4，为后面形成背腔做准备； 

4）采用氢氧化钾各向异性刻蚀下层单晶硅3形成背腔，并腐蚀至二氧化硅埋层2停止； 

5）用等离子刻蚀技术刻蚀去除位于正面的氮化硅4； 

6）采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅检测电阻7，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，然后采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅得到拾振电阻7，以获得构成惠斯通电桥的四个相同阻值的拾振电阻，其中布置在检测梁的拾振电阻为检测电阻，其余为参考电阻； 

7）正面铺光刻胶5，光刻胶5的厚度为1～5μm； 

8）刻蚀光刻胶5，形成平面线圈6、直流导线8、内引线9的掩膜图案； 

9）溅射沉积铝，铝的厚度为1～5μm，利用剥离工艺，形成激励线圈6、直流导线8、内引线9，并去除剩余的光刻胶； 

10）光刻胶形成谐振梁图案，利用反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀形成谐振梁10结构； 

11）最后经过划片得到所设计的基于谐振式结构的电涡流传感器的单个管芯。 

本发明的优点为：因为采用了谐振式结构用做检测元件，在谐振状态下工作，可以将所测得的信号放大，而不需要在后处理电路中放大，不仅起到了简化电路的作用，而且可以取得很高的灵敏度和分辨率。 

附图说明

图1为本发明谐振式结构的电涡流传感器芯片的结构图。 

图2为本发明谐振式结构的电涡流传感器芯片的谐振梁10的俯视图。 

图3为本发明谐振式结构的电涡流传感器芯片的受力示意图。 

图4为本发明谐振式结构的电涡流传感器芯片的制备工艺流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述： 

参照图1和图2，一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，包括激励线圈6和谐振结构两部分，激励线圈6为矩形平面线圈结构；谐振结构由谐振梁10、直流导线8、拾振电阻7和惠斯通电桥连接构成，谐振结构位于芯片中心，激励线圈6围绕于谐振结构，谐振梁10除中心梁10-3外，两端根部按功能分为驱动梁10-1和检测梁10-2两部分,即布置直流导线8的梁为驱动梁10-1，布置检测电阻的梁为检测梁10-2，驱动梁10-1和检测梁10-2两端根部通过中心梁10-3连接，拾振电阻7中的第一参考电阻7-1和第二参考电阻7-2位于芯片周围，第一检测电阻7-3、第二检测电阻7-4布置在检测梁10-2上，四个电阻组成惠斯通电桥；直流导线8沿谐振梁10方向由一端驱动梁10-1接入，从另一端驱动梁10-1接出。 

所述激励线圈6采用MEMS技术制作，所采用材料为铝，其截面为矩形，截面尺寸为宽为5～30μm，厚为1～5μm，匝数为13～20匝。 

所述的谐振梁10所使用材料为二氧化硅，沿梁方向呈轴对称结构，中心梁10-3为两根，尺寸相同均长800～1000μm，宽20～30μm，厚40～50μm，两梁间距80～100μm；驱动梁10-1和检测梁10-2两部分尺寸相同，均长100～150μm，宽20～30μm，厚80～90μm，两梁间距100～120μm，左右两部分完全一致。 

所述直流导线8所采用材料为铝，截面尺寸宽为5～30μm，厚为1～5μm。 

所述惠斯通电桥所用的拾振电阻7采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅，然后采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅，获得构成惠斯通电桥的四个相同阻值的拾振电阻，其中布置在检测梁的拾振电阻为检测电阻，其余为参考电阻。 

本芯片的基础理论为： 

根据法拉第电磁感应定律，当激励线圈6由正弦信号激励，线圈周围空间必然产生一个同频交变磁场B1，当被测导体靠近激励线圈6时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流，而此电涡流又将产生一交变磁场B2阻碍外磁场的变化，两者会形成一个叠加的合磁场B3。 

当激励线圈6由正弦信号激励的同时，同频交变磁场B1会作用于谐振结构的谐振梁10，谐振梁10上布置有直流导线8，直流导线8上通直流电，根据安培力效应，会在谐振梁10上产生垂直于交变磁场垂直方向和通电导线所处平面的横向力。 

F=BIL 

由于交变磁场的影响，当正弦信号激励的频率与谐振结构的谐振频率相等时，会产生谐振。当发生谐振时，会引起检测梁10-2上的应力集中，这时，可以利用施加激励电压V的惠斯通电桥测量应变ε造成的检测电阻的电阻变化ΔR，继而惠斯通电桥的测量电压V_out也会产生变化。 

$V_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{V\ΔR}}{2R}=\frac{V}{2}\mathrm{G\ϵ}$

其中G为灵敏系数。 

参照图3，本传感器芯片的工作原理如下： 

激励线圈6上加载交流电压，激励线圈6会产生与交流电压频率相同的交变磁场B₁，当被测导体靠近激励线圈6时，在磁场作用范围的导体表 层，会产生电涡流场，而此电涡流又将产生一交变磁场B₂阻碍外磁场的变化，引起B₁的变化；在激励线圈上加载交流电压的同时，由于安培力的作用，其所产生的交变磁场会驱动谐振结构中布置有通直流电的导线做垂直于交变磁场垂直方向和通电导线的方向运动，因此会产生结构上的应变变化，然后利用惠斯通电桥将应变变化拾取，整个过程完成了将位移量转化为磁场量，最后转化为电信号的过程。 

参照图4，一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法，包括以下步骤： 

1）参照图4-1，使用HF溶液清洗双面抛光SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅1、二氧化硅埋层2和下层单晶硅3组成，其中，二氧化硅埋层2将上层单晶硅1和下层单晶硅3隔离开； 

2）参照图4-2，双面淀积氮化硅4，淀积厚度为0.1μm～0.2μm，为后续湿法腐蚀提供掩蔽和保护； 

3）参照图4-3，在SOI硅片背面光刻，刻蚀去掉背面部分区域的氮化硅4，为后面形成背腔做准备； 

4）参照图4-4，采用氢氧化钾各向异性刻蚀下层单晶硅3形成背腔，并腐蚀至二氧化硅埋层2自停止； 

5）参照图4-5，用等离子刻蚀技术刻蚀去除位于正面的氮化硅4； 

6）参照图4-6，采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅检测电阻7，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，然后采用等离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）技术刻蚀P型掺杂硅得到拾振电阻7，以获得构成惠斯通电桥的四个相同阻值的拾振电阻，其中布置在检测梁的拾振电阻为检测电阻， 其余为参考电阻； 

7）参照图4-7，正面铺光刻胶5，光刻胶5的厚度为1～5μm； 

8）参照图4-8，刻蚀光刻胶5，形成平面线圈6、直流导线8、内引线9的掩膜图案； 

9）参照图4-9，溅射沉积铝，铝的厚度为1～5μm，利用剥离工艺，形成激励线圈6、直流导线8、内引线9，并去除剩余的光刻胶； 

10）参照图4-10，光刻胶形成谐振梁图案，利用反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀形成谐振梁10结构； 

11）参照图4-11，最后经过划片得到所设计的基于谐振式结构的电涡流传感器的单个管芯。 

拟达到的主要技术性能指标如下： 

●测量量程：0～2mm； 

●误差：1％； 

●工作温度：-20～120℃； 

●分辩力：0.1μm； 

●工作环境介质：空气、油； 

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (6)

1.一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，包括激励线圈（6）和谐振结构两部分，其特征在于：激励线圈（6）为矩形平面线圈结构，谐振结构由谐振梁（10）、直流导线（8）、拾振电阻（7）和惠斯通电桥连接构成，谐振结构位于芯片中心，激励线圈（6）围绕于谐振结构，谐振梁（10）包括中心梁（10-3）、布置直流导线（8）的驱动梁（10-1）和布置检测电阻的检测梁（10-2），，驱动梁（10-1）和检测梁（10-2）两端根部通过中心梁（10-3）连接，拾振电阻(7)中的第一参考电阻(7-1)和第二参考电阻(7-2)位于芯片周围，第一检测电阻(7-3)、第二检测电阻(7-4)布置在检测梁(10-2)上，四个电阻组成惠斯通电桥；直流导线(8)沿谐振梁(10)方向由一端驱动梁（10-1）接入，从另一端驱动梁（10-1）接出。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，其特征在于：所述激励线圈（6）采用MEMS技术制作，所采用材料为铝，其截面为矩形，截面尺寸为宽为5～30μm，厚为1～5μm，匝数为13～20匝。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，其特征在于：所述的谐振梁10所使用材料为二氧化硅，沿梁方向呈轴对称结构，中心梁（10-3）为两根，尺寸相同均长800～1000μm，宽20～30μm，厚40～50μm，两梁间距80～100μm；驱动梁（10-1）和检测梁（10-2）两部分尺寸相同，均长100～150μm，宽20～30μm，厚80～90μm，两梁间距100～120μm，左右两部分完全一致。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，其特征在于：所述直流导线（8）所采用材料为铝，截面尺寸宽为5～30μm，厚为1～5μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片，其特征在于：惠斯通电桥所用的拾振电阻（7）采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅，然后采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅，获得构成惠斯通电桥的四个相同阻值的拾振电阻，其中布置在检测梁的拾振电阻为检测电阻，其余为参考电阻。

6.一种基于谐振式结构的电涡流传感器芯片及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）使用HF溶液清洗双面抛光SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅（1）、二氧化硅埋层（2）和下层单晶硅（3）组成，其中，二氧化硅埋层（2）将上层单晶硅（1）和下层单晶硅（3）隔离开；

2）双面淀积氮化硅（4），淀积厚度为0.1μm～0.2μm，为后续湿法腐蚀提供掩蔽和保护；

3）在SOI硅片背面光刻，刻蚀去掉背面部分区域的氮化硅（4），为后面形成背腔做准备；

4）采用氢氧化钾各向异性刻蚀下层单晶硅（3）形成背腔，并腐蚀至二氧化硅埋层（2）自停止；

5）用等离子刻蚀技术刻蚀去除位于正面的氮化硅（4）；

6）采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅检测电阻（7），掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，然后采用等离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）技术刻蚀P型掺杂硅得到拾振电阻（7），以获得构成惠斯通电桥的四个相同阻值的拾振电阻，其中布置在检测梁的拾振电阻为检测电阻，其余为参考电阻；

7）正面铺光刻胶（5），光刻胶5的厚度为1～5μm；

8）刻蚀光刻胶（5），形成平面线圈（6）、直流导线（8）、内引线（9）的掩膜图案；

9）溅射沉积铝，铝的厚度为1～5μm，利用剥离工艺，形成激励线圈（6）、直流导线（8）、内引线（9），并去除剩余的光刻胶；

10）光刻胶形成谐振梁图案，利用反应耦合等离子体(InductivelyCoupled Plasma,ICP)刻蚀形成谐振梁（10）结构；

11）最后经过划片得到所设计的基于谐振式结构的电涡流传感器的单个管芯。

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