CN103499796A

CN103499796A - 一种梳齿结构的微机电磁场传感器

Info

Publication number: CN103499796A
Application number: CN201310456380.5A
Authority: CN
Inventors: 陈洁; 周志浩; 薛铭豪; 景晟
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103499796B

Abstract

本发明公开了一种梳齿结构的微机电磁场传感器，包括硅衬底、二氧化硅层、多晶硅层和氮化硅层，多晶硅层的中部设有梳齿梁，氮化硅层顶面四周设有锚区，梳齿梁的根部与锚区的一边固定连接，梳齿梁的顶部为第一梳齿，锚区的另一边中设有第二梳齿，第一梳齿和第二梳齿相互交叉配合，形成梳齿电容的两极；梳齿梁上表面布设有驱动金属线；锚区上设有电容上极板焊盘、电容底电极焊盘和驱动金属线焊盘；氮化硅层中设有第一通孔和第二通孔；梳齿梁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。该传感器可以测量磁场幅度，灵敏度高。

Description

一种梳齿结构的微机电磁场传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种梳齿结构的微机电磁场传感器。

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：提供一种梳齿结构的微机电磁场传感器，可以测量磁场幅度，该磁场传感器结构简单，灵敏度高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种梳齿结构的微机电磁场传感器，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，二氧化硅层的中部和多晶硅层的中部均为空心，多晶硅层的中部设有梳齿梁，梳齿梁由多晶硅和氮化硅制成，氮化硅层顶面四周设有锚区，梳齿梁的根部与锚区的一边固定连接，梳齿梁的顶部为第一梳齿，锚区的另一边设有第二梳齿，第一梳齿和第二梳齿相互交叉配合，形成梳齿电容的两极；梳齿梁处于悬空状态；梳齿梁上表面布设有驱动金属线；锚区上设有电容上极板焊盘、电容底电极焊盘和驱动金属线焊盘；氮化硅层中设有带有金属柱的第一通孔和带有金属柱的第二通孔；梳齿梁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。

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。本发明的电容式的微机电磁场传感器，利用梳齿梁结构顶部梳齿与锚区部分的梳齿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；而且电容的容值由梳齿梁结构顶部梳齿与锚区部分的梳齿的相对面积决定，可控性较大。

2.功耗小、性能可靠。本发明利用电容来测量梳齿梁的的位移，来测量磁场的幅度。整个测量过程中所用的电流为直流电，采用梳齿梁受力较大，产生的位移也较大，因此功耗小。利用梳齿梁形成的梳齿结构可以增加电容的灵敏度。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：梳齿梁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、第一梳齿7、第二梳齿8、凹槽9、氮化硅层10、多晶硅层11、二氧化硅层12、硅衬底13、第一通孔14、第二通孔15。

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，本发明的一种梳齿结构的微机电磁场传感器，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的中部和多晶硅层11的中部均为空心，多晶硅层11的中部设有梳齿梁1，梳齿梁1由多晶硅和氮化硅制成，多晶硅层11顶面四周设有锚区3，梳齿梁1的根部与锚区3的一边固定连接，梳齿梁1的顶部为第一梳齿7，锚区3的另一边设有第二梳齿8，第一梳齿7和第二梳齿8相互交叉配合，形成梳齿电容；梳齿梁1处于悬空状态；梳齿梁1上表面布设有驱动金属线2；锚区3上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中设有带有金属柱的第一通孔14和带有金属柱的第二通孔15；梳齿梁1通过第一通孔14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15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9。凹槽9隔离电容上电极和电容底电极。

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，梳齿梁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9，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梳齿梁1。本例中采用氮化硅膜层为绝缘层。

Claims

1.一种梳齿结构的微机电磁场传感器，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）的中部和多晶硅层（11）的中部均为空心，多晶硅层（11）的中部设有梳齿梁（1），梳齿梁（1）由多晶硅和氮化硅制成，氮化硅层（10）顶面四周设有锚区（3），梳齿梁（1）的根部与锚区（3）的一边固定连接，梳齿梁（1）的顶部为第一梳齿（7），锚区（3）的另一边设有第二梳齿（8），第一梳齿（7）和第二梳齿（8）相互交叉配合，形成梳齿电容的两极；梳齿梁（1）处于悬空状态；梳齿梁（1）上表面布设有驱动金属线（2）；锚区（3）上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）中设有带有金属柱的第一通孔（14）和带有金属柱的第二通孔（15）；梳齿梁（1）通过第一通孔（14）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（15）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（9）。