CN103472412A

CN103472412A - 一种电容式微机电磁场传感器

Info

Publication number: CN103472412A
Application number: CN2013104566663A
Authority: CN
Inventors: 陈洁; 张澄; 胡静洁; 李嘉鹏
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103472412B

Abstract

本发明公开了一种电容式微机电磁场传感器，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的硅衬底、二氧化硅层、多晶硅层和氮化硅层，二氧化硅层的中部为空心，多晶硅层和氮化硅层中部设有U形梁，氮化硅层的四周设为锚区，U形梁根部与锚区固定连接，U形梁处于悬空状态；U形梁的氮化硅层的上表面布设有驱动金属线；锚区中设有电容上极板焊盘、电容底电极焊盘和驱动金属线焊盘；氮化硅层中设有含金属柱的第一通孔和含金属柱的第二通孔；U形梁的多晶硅层通过第一通孔与电容上极板焊盘连接，构成电容上电极；多晶硅层通过第二通孔与电容底电极焊盘连接，构成电容底电极；多晶硅层中设有凹槽，凹槽隔离电容上电极和电容底电极。该传感器可以测量磁场幅度，且传感器结构简单。

Description

一种电容式微机电磁场传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种电容式微机电磁场传感器。

背景技术

磁场传感器有着悠久的历史，指南针的发明到现代交通导航，磁场传感器越来越被人重视。

磁场传感器与我们的生活息息相关，自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

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，同时新发展的MEMS工艺能够在硅衬底上利用IC（英文全称为：integrated circuit，中文是：集成电路）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，提出了一些微型磁场传感器的结构，如法国的Vincent Beroulle、Laurent Latorre提出的MEMS磁场传感器，在悬臂梁与锚区附近做压阻，通过测量压阻的输出检测磁场。扭摆式MEMS磁场传感器最早由Beverley Eyre等人提出，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。这些磁场传感器只能测量磁场的大小。磁场是一个矢量，所以对磁场方向信息很重要。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种电容式微机电磁场传感器，该传感器可以测量磁场幅度，且传感器结构简单。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电容式微机电磁场传感器，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的硅衬底、二氧化硅层、多晶硅层和氮化硅层，二氧化硅层的中部为空心，多晶硅层和氮化硅层中部设有U形梁，氮化硅层的四周设为锚区，U形梁根部与锚区固定连接，U形梁处于悬空状态；U形梁的氮化硅层的上表面布设有驱动金属线；锚区中设有电容上极板焊盘、电容底电极焊盘和驱动金属线焊盘；氮化硅层中设有含金属柱的第一通孔和含金属柱的第二通孔；U形梁的多晶硅层通过第一通孔与电容上极板焊盘连接，构成电容上电极；多晶硅层通过第二通孔与电容底电极焊盘连接，构成电容底电极；多晶硅层中设有凹槽，凹槽隔离电容上电极和电容底电极。

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，可以实现磁场幅度测量。本发明的电容式微机电磁场传感器，利用U形梁结构与锚区分别作为电容的两个电极，通过电容的变化可以得到磁场的幅度；而且电容的容值由U形梁和锚区的相对面积决定，可控性较大。

2.功耗小、性能可靠。本发明利用电容来测量U形梁的位移，来测量磁场的幅度。整个测量过程中所用的电流为直流电，采用U形梁受力较大，产生的位移也较大，因此功耗小。另外，电容检测受外界环境影响较小，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，性能可靠。

附图说明

图1是本发明的结构立体图。

图2是图1中的多晶硅层剖面图。

图3是图1中的a-a剖面图。

图中有：U形梁1、驱动金属线2、锚区3、驱动金属线焊盘4、电容上极板焊盘5、电容底电极焊盘6、凹槽7、第一通孔8、第二通孔9、氮化硅层10、多晶硅层11、氧化硅层12、硅衬底13。

具体实施方式

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至图3所示，本发明的一种电容式微机电磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的硅衬底13、二氧化硅层12、多晶硅层11和氮化硅层10。二氧化硅层12的中部为空心。多晶硅层11和氮化硅层10中部设有U形梁1。U形梁包括位于下部的多晶硅层和位于上部的氮化硅层。U形梁的多晶硅层和多晶硅层11位于同一层，U形梁的氮化硅层和氮化硅层10位于同一层。氮化硅层10的四周设为锚区3。U形梁1根部与锚区3固定连接。U形梁1处于悬空状态。U形梁1的氮化硅层的上表面布设有驱动金属线2；锚区3中设有电容上极板焊盘5、电容底电极焊盘6和驱动金属线焊盘4；氮化硅层10中设有含金属柱的第一通孔8和含金属柱的第二通孔9；U形梁1的多晶硅层通过第一通孔8与电容上极板焊盘5连接，构成电容上电极；多晶硅层11通过第二通孔9与电容底电极焊盘6连接，构成电容底电极。多晶硅层11中设有凹槽7，凹槽7隔离电容上电极和电容底电极。

上述结构的电容式微机电磁场传感器，可以测量磁场的幅度，该结构的磁场传感器工作过程是：如图1所示，在磁场传感器的驱动金属线2中施加一个任意的直流电流，测量电容变化。驱动金属线2在纵向磁场B_H的作用下，受磁场力的作用，力的方向垂直纸面，U形梁1会发生弯曲变形。这样，电容之间的相对面积会变化，电容也会随之发生变化。通过测量电容的变化，得到电容之间面积的变化，从而得到变形，而变形是由磁场和电流共同作用得到的，电流已知，就可以得到磁场的大小，这样就测量得到磁场幅度。

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二氧化硅膜层12，在淀积一层多晶硅层11作为底电极层，并刻蚀图形形成凹槽7，沉积一层氮化硅层10，用于隔离金属和多晶硅层11，并刻蚀图形，接着溅射金属，并图形化，形成驱动金属线2、以及焊盘，最后通过腐蚀释放结构形成U形梁1。本例中采用氮化硅层10为绝缘层。

Claims

1.一种电容式微机电磁场传感器，其特征在于，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的硅衬底（13）、二氧化硅层（12）、多晶硅层（11）和氮化硅层（10），二氧化硅层（12）的中部为空心，多晶硅层（11）和氮化硅层（10）中部设有U形梁（1），氮化硅层(10)的四周设为锚区（3），U形梁（1）根部与锚区（3）固定连接，U形梁（1）处于悬空状态；U形梁（1）的氮化硅层的上表面布设有驱动金属线（2）；锚区（3）中设有电容上极板焊盘（5）、电容底电极焊盘（6）和驱动金属线焊盘（4）；氮化硅层（10）中设有含金属柱的第一通孔（8）和含金属柱的第二通孔（9）；U形梁（1）的多晶硅层通过第一通孔（8）与电容上极板焊盘（5）连接，构成电容上电极；多晶硅层（11）通过第二通孔（9）与电容底电极焊盘（6）连接，构成电容底电极；多晶硅层（11）中设有凹槽（7），凹槽（7）隔离电容上电极和电容底电极。