CN105353326A - 基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法，包括：1）提供半导体基底，在半导体基底表面形成第一凹槽；2）在第一凹槽内形成磁性薄膜结构；3）提供键合基底，将半导体基底与键合基底键合；4）在键合后的半导体基底表面形成闪耀光栅结构；5）对半导体基底进行刻蚀以形成扭转闪耀光栅结构；6）对磁性薄膜结构进行磁化处理。本发明直接在传感器芯片制造阶段将闪耀光栅结构和磁性薄膜结构集成在单一芯片上，大大简化了磁场传感器的制作工艺流程；该磁场传感器可以工作在水下、地底、无线传感网节点等电源受限或存在强电磁干扰等场合，具有小型化、高灵敏度、低成本、可批量化制作、使用范围广泛。

Description

基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法。

背景技术

磁场传感器是对磁信号或者是对能够转变为磁信号的参数敏感的传感器，是应用最早也是应用最为广泛的一类传感器，我国的四大发明之一的指南针就是利用磁现象的传感器。磁场传感器已经在许多领域获得了产业化应用，每年的使用量高达十亿只以上，应用于电机、电力电子、能源管理、磁信息读取、汽车工业及工业自动化、家电和安全系统，主要使用灵敏度不太高的霍尔器件、磁敏晶体管、磁敏电阻等非常成熟的磁传感器。这些传感器的共同特点是技术成熟，价格便宜，但是都需要检测电路或电流激励，这大大限制这些磁传感器应用于水下、无线传感网节点等电源受限或存在电磁干扰的场合，研制可以应用于这些场合的磁场传感器成为迫切需要解决的关键技术问题。

目前，磁场传感器的技术发展现状如下：

1)霍尔磁传感器是利用半导体的霍尔效应而制作的一类磁场传感器。在半导体薄片两端通以激励电流I，当半导体薄片的垂直方向存在磁感应强度为B的匀强磁场时，则在垂直于电流和磁场的方向上，产生电势差为UH的霍尔电压，霍尔电压大小与磁场大小成正比。由于霍尔磁传感器的测量需要提供电流激励，故其功耗较高，磁场分辨率也较低。

2)各向异性磁阻(AMR)传感器是目前广泛应用于智能消费电子领域的一类磁场传感器。其原理是利用某些材料(如坡莫合金)的各项异性磁阻现象，即材料的电阻取决于其磁化方向与其中电流方向的夹角。但是其工作时也需要电流激励，且通常设置有复位线圈，复位时需要很大的激励电流。

3)磁通门通过激励线圈中的电流将其中的高磁导率磁芯周期性地激励到饱和从而将低频外磁场调制到高频，再通过一定的滤波放大手段来检测磁场。磁通门的磁场分辨率可以达到nT量级，是一种高灵敏度磁场传感器，但是由于其需用激励电流将磁芯周期性地激励到饱和，因此功率较大，而且微型化困难。

4)超导量子干涉仪(SQUIDs)是一种能够测量微弱磁信号的的极其灵敏的磁场传感器。其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象。SQUIDs运行时需要低温制冷设备，体积大，运行费用高昂。

5)MEMS磁场传感器可以满足磁传感器小型化、低功耗、批量化生产的要求。常见的MEMS磁场传感器有利用线圈中的电流与外磁场之间的洛伦兹力来检测磁场和利用磁性材料与外磁场的相互作用来检测磁场。利用线圈中的电流与外磁场之间的洛伦兹力来检测磁场时，为了提高灵敏度，通常需要将结构激励到谐振状态。而且为了获得高的Q值，通常将传感器进行真空封装。所以该类MEMS磁场传感器工作带宽较窄，封装的成本也较高。利用磁性材料与外磁场的相互作用制作的MEMS磁传感器在工作时不需要将结构激励到谐振状态，因此也无需真空封装，功耗及制作成本都更低。但是现在大多数的该类MEMS磁场传感器使用电学方式检测(如压阻、电容检测等)，因此不适合应用于水底、无线传感网节点等电源受限或存在电磁干扰的场合。

为此，本发明试图将MEMS(Micro-ElectromechanicalSystems，微机电系统)技术与闪耀光栅检测技术相结合，提出一种MEMS微型化高灵敏度磁场传感器及制备方法。利用MEMS技术制作微型磁敏感结构与闪耀光栅检测相结合，以实现体积小、无需电流激励、低成本、可以广泛应用于各个领域的微型高灵敏度磁场传感器为目标。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、尺寸小、低成本、封装简单、可广泛应用于各个领域的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供半导体基底，在所述半导体基底表面形成第一凹槽；

2)在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构；

3)提供键合基底，将所述半导体基底与所述键合基底键合，形成有所述第一凹槽的表面为键合面；

4)在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构；

5)依据所述磁性薄膜结构及所述闪耀光栅结构的位置对所述半导体基底进行刻蚀，以形成扭转闪耀光栅结构；

6)对所述磁性薄膜结构进行磁化处理，以使所述磁性薄膜结构能够在与其磁化方向垂直的磁场作用下产生相应的磁扭矩。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述顶层硅内。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构包括：

41)将键合后的所述半导体基底进行减薄处理，以去除所述衬底硅层；

42)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述中间氧化层；

43)使用KOH溶液腐蚀所述顶层硅，以在所述顶层硅内形成周期性的V型闪耀光栅；

44)在所述V型闪耀光栅表面形成光学高反膜。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，形成的所述扭转闪耀光栅结构包括扭转薄膜、位于所述扭转薄膜表面的V型闪耀光栅、位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜及位于所述扭转薄膜两侧的弹性扭转梁；所述扭转薄膜通过所述弹性扭转梁与所述顶层硅相连接。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述磁性薄膜结构形成于所述第一凹槽的底部，包括依次层叠的粘附层、磁性膜层及抗氧化层，且所述粘附层与所述第一凹槽的底部相接触。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构之后，还包括对所述磁性薄膜结构进行高温退火处理的步骤。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)之后还包括：

提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤，所述准直透镜、所述输入光纤及所述输出光纤通过光学树脂封装在一壳体内；

将步骤6)得到的结构中的所述扭转闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并将步骤6)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)之后，将步骤6)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内之前，还包括使用过载保护盖体与步骤6)得到的结构进行键合封装，以实现对所述扭转闪耀光栅结构的密封的步骤。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，使用过载保护盖体与步骤6)得到的结构进行键合封装包括：

提供过载保护盖体，所述过载保护盖体为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；

在所述过载保护盖体内形成第二凹槽，所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层；

在所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述扭转闪耀光栅结构的位置形成光学增透膜；

将形成有所述光学增透膜的所述过载保护盖体与步骤6)得到的结构通过介质层进行键合封装，所述过载保护盖体中的顶层硅及所述半导体基底的表面为键合面。

本发明还提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器包括：半导体基底、键合基底、扭转闪耀光栅结构及磁性薄膜结构；

所述半导体基底键合于所述键合基底表面，且所述半导体基底内形成有贯穿所述半导体基底的第一凹槽；

所述扭转闪耀光栅结构位于所述第一凹槽内，且与所述半导体基底间隔一定的间距；

所述磁性薄膜结构位于所述扭转闪耀光栅结构背面，且与所述半导体基底及所述键合基底间隔一定的间距。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述扭转闪耀光栅结构包括扭转薄膜、位于所述扭转薄膜表面的V型闪耀光栅、位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜及位于所述扭转薄膜两侧的弹性扭转梁；所述扭转薄膜与所述半导体基底间隔一定的间距，且通过所述弹性扭转梁与所述半导体基底相连接；

所述磁性薄膜结构位于所述扭转薄膜远离所述V型闪耀光栅的表面上。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述磁性薄膜结构包括依次层叠的粘附层、磁性膜层及抗氧化层，且所述粘附层与所述扭转闪耀光栅结构的背面相接触。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器还包括光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤；所述扭转闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并与所述光纤准直器共同封装在一壳体内。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器还包括述过载保护盖体，所述过载保护盖体覆盖所述扭转闪耀光栅结构。

作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述过载保护盖体为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述过载保护盖体内形成有贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层的第二凹槽；所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述扭转闪耀光栅结构的位置形成有光学增透膜；所述过载保护盖体中的顶层硅与所述半导体基底的表面通过介质层键合封装。

本发明的一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法具有以下有益效果：

1)在单芯片上形成三轴磁场传感器，具有体积小、结构简单、成本低、封装简单等特点；

2)采用磁性薄膜作为磁敏感结构，工作时不需要施加电流激励，光学检测在芯片上也无需任何电激励，使其适合应用于水底、无线传感网节点等电源受限或存在电磁干扰的场合；

3)采用扭转闪耀光栅的检测方式，检测精度高，提高了器件的分辨率，还具有温度漂移小、抗外界振动干扰能力强等特点；

4)采用MEMS技术制作，有利于器件的批量化生产，降低器件成本；

附图说明

图1显示为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的流程图。

图2至图13显示为本发明实施例一中提供的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法各步骤中的结构示意图。

元件标号说明

11半导体基底

111顶层硅

112中间氧化层

113衬底硅层

12第一凹槽

13磁性薄膜结构

131粘附层

132磁性膜层

133抗氧化层

14扭转闪耀光栅结构

141V型闪耀光栅

142光学高反膜

143扭转薄膜

144弹性扭转梁

21键合基底

31过载保护盖

32光学增透膜

33介质层

34第二凹槽

41输入光纤

42准直透镜

43输出光纤

51壳体

61光学树脂

611密封胶

612粘结胶

71准直器金属套管

81金属底座

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法包括以下步骤：

1)提供半导体基底，在所述半导体基底表面形成第一凹槽；

2)在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构；

3)提供键合基底，将所述半导体基底与所述键合基底键合，形成有所述第一凹槽的表面为键合面；

4)在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构；

5)依据所述磁性薄膜结构及所述闪耀光栅结构的位置对所述半导体基底进行刻蚀，以形成扭转闪耀光栅结构；

6)对所述磁性薄膜结构进行磁化处理，以使所述磁性薄膜结构能够在与其磁化方向垂直的磁场作用下产生相应的磁扭矩。

在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供半导体基底11，在所述半导体基底11表面形成第一凹槽12。

作为示例，所述半导体基底11为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层113、中间氧化层112及顶层硅111，其中，所述顶层硅111为晶向为(100)的单晶硅；所述顶层硅111的厚度可以为但不仅限于30μm，所述中间氧化层112的厚度可以为但不仅限于2μm，所述衬底硅层113的厚度可以为但不仅限于380μm。

作为示例，可以通过光刻、深反应离子刻蚀(DRIE)工艺形成所述第一凹槽12，所述第一凹槽12形成于所述顶层硅111内；所述第一凹槽12的深度可以为但不仅限于7μm左右。

在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，在所述第一凹槽12内形成磁性薄膜结构13。

作为示例，再所述顶层硅111的表面形成图形化的硬掩膜(未示出)，所述掩膜层定义出所述磁性薄膜结构13的位置及形状，所述硬掩膜可以为经过穿透腐蚀的单晶硅片或光刻胶层；以所述硬掩膜为依托在所述第一凹槽12的底部形成所述磁性薄膜结构13。

作为示例，所述磁性薄膜结构13包括依次层叠的粘附层131、磁性膜层132及抗氧化层133，且所述粘附层131与所述第一凹槽12的底部相接触；优选地，所述粘附层131可以为但不仅限于Ta层，所述磁性膜层132可以为但不仅限于NdFeB层，所述抗氧化层133可以为但不仅限于Ta层；其中，所述粘附层131及所述抗氧化层133的厚度可以为50nm左右，所述磁性膜层132的厚度可以为2μm左右。

作为示例，在所述第一凹槽21内形成所述磁性薄膜结构13之后，还包括对所述磁性薄膜结构13进行高温退火处理的步骤。

在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，提供键合基底21，将所述半导体基底11与所述键合基底21键合，形成有所述第一凹槽12的表面为键合面。

作为示例，所述键合基底21可以为但不仅限于玻璃基底；可以采用阳极键合工艺将所述半导体基底11与所述键合基底21进行硅-玻璃键合，键合面为所述半导体基底11的所述顶层硅11及所述键合基底21的任意一面。

在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤及图5至图6，在键合后的所述半导体基底11表面对应于所述磁性薄膜结构13的位置形成闪耀光栅结构。

作为示例，在键合后的所述半导体基底11表面对应于所述磁性薄膜结构13的位置形成闪耀光栅结构包括：

41)将键合后的所述半导体基底11进行减薄处理，以去除所述衬底硅层113，如图5所示；优选地，采用KOH溶液腐蚀去除所述衬底硅层113，腐蚀到所述中间氧化层112时自动停止；

42)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述中间氧化层112；

43)使用KOH溶液腐蚀所述顶层硅111，以在所述顶层硅111内形成周期性的V型闪耀光栅141；

44)在所述V型闪耀光栅141表面形成光学高反膜142，如图6所示；所述光学高反膜142可以为金属反射膜或多层介质膜，优选地，所述光学高反膜142可以为采用磁控溅射工艺在所述V型闪耀光栅141表面溅射的Au膜。

在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤及图7至图8，依据所述磁性薄膜结构13及所述闪耀光栅结构的位置对所述半导体基底11进行刻蚀，以形成扭转闪耀光栅结构14。

作为示例，在所述顶层硅111的表面涂覆光刻胶层(未示出)，通过光刻工艺定义出所述扭转闪耀光栅结构14的形状，依据所述光刻胶层利用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀所述半导体基底11以释放所述闪耀光栅结构14。

作为示例，请参阅图7至图8，图8为图7的俯视图，由图7及图8可知，形成的所述扭转闪耀光栅结构14包括扭转薄膜143、位于所述扭转薄膜143表面的V型闪耀光栅141、位于所述V型闪耀光栅141表面的光学高反膜142及位于所述扭转薄膜143两侧的弹性扭转梁144，所述弹性扭转梁144的数量可以根据实际需要设定，优选地，本实施例中，所述弹性扭转梁144的数量为两个，所述两个弹性扭转梁144位于所述扭转薄膜143相对的两侧；所述扭转薄膜143的四周均与所述顶层硅111间隔一定的间距，且通过所述弹性扭转梁144与所述顶层硅111相连接。

作为示例，所述光学高反膜142可以为金属反射膜或多层介质膜；优选地，所述光学高反膜142可以为采用磁控溅射工艺在所述V型闪耀光栅141表面溅射的Au膜。

在步骤6)中，请参阅图1中的S6步骤，对所述磁性薄膜结构13进行磁化处理，以使所述磁性薄膜结构13能够在与其磁化方向垂直的磁场作用下产生相应的磁扭矩。

作为示例，将步骤5)得到的结构放入匀强磁场中，所述磁性薄膜结构13在匀强磁场中完成磁化，磁化方向取决于匀强磁场的方向，最终的磁性薄膜结构13的磁化方向可以为垂直于面内磁化或面内磁化。

请参阅图9及图10，步骤6)之后还包括以下步骤：

7)提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜42、输入光纤41及输出光纤43，所述准直透镜42、所述输入光纤41及所述输出光纤43通过光学树脂61(包括密封胶611及粘结剂612)封装在一壳体51内；所述壳体51为一金属封装套管，所述准直透镜42与所述壳体51之间设有准直器金属套管71；

8)将步骤6)得到的结构中的所述扭转闪耀光栅结构14与所述光纤准直器对准，并将步骤6)得到的结构固定于一金属底座81上并与所述光纤准直器共同封装在所述壳体51内。

需要说明的是，图10中为位于所述金属底座81上的结构应为步骤6)所得到的结构，为了便于显示，图10中仅以所述扭转闪耀光栅结构14予以示意。

请参阅图11至图13，步骤6)之后，步骤7)之前，还包括使用过载保护盖体31与步骤6)得到的结构进行键合封装，以实现对所述扭转闪耀光栅结构14的密封的步骤。

使用过载保护盖体31与步骤6)得到的结构进行键合封装包括：

提供过载保护盖体31，所述过载保护盖体31为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层113、中间氧化层112及顶层硅111；所述顶层硅111的厚度可以为但不仅限于30μm，所述中间氧化层112的厚度可以为但不仅限于2μm，所述衬底硅层113的厚度可以为但不仅限于380μm。

通过光刻、深反应离子刻蚀所述过载保护盖体31，在所述过载保护盖体31内形成第二凹槽34，所述第二凹槽34贯穿所述顶层硅111及所述中间氧化层112，如图11所示；

在所述顶层硅111、所述第二凹槽34的底部及所述衬底硅层113的表面涂覆光刻胶层，并通过光刻工艺图形化所述光刻胶层以定义出光学增透膜32的形状，在所述第二凹槽34底部及所述衬底硅层113背面对应于所述扭转闪耀光栅结构14的位置形成光学增透膜32；去除所述光刻胶层及多余的所述光学增透膜32，如图12所示；

将所述过载保护盖体31与步骤6)得到的结构通过介质层33进行圆片级键合封装，如图13所示，其中，所述过载保护盖体31中的顶层硅111及步骤6)得到的结构的表面为键合面，所述介质层33可以为但不仅限于BCB胶(苯并环丁烯)。

需要说明的是，当使用所述过载保护盖体31与步骤6)得到的结构进行键合封装后，将键合封装后的结构与所述光纤准直器再进行对准封装时，位于所述金属底座81上的结构应为所述过载保护盖体31与步骤6)得到的结构进行键合封装后的结构。由于所述过载保护盖体31对应于所述扭转闪耀光栅结构14的位置形成有所述光学增透膜32，所述光学增透膜32可以允许特定波长的光(如波长为1525nm～1565nm的光)通过而几乎没有损耗，所以，所述过载保护盖体31并不影响所述扭转闪耀光栅结构14与所述光纤准直器对准，也不影响光的通过，不会对检测造成影响。

作为示例，可以采用基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术来制备上述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术为本领域人员所熟知，此处不再累述。

实施例二

请继续参阅图7至图10及图13，本发明还提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器为实施例一中所述的制备方法制备而成，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器包括：半导体基底11、键合基底21、扭转闪耀光栅结构14及磁性薄膜结构13；

所述半导体基底(此处的半导体基底相当于实施例一中的顶层硅111)键合于所述键合基底21表面，且所述半导体基底内形成有贯穿所述半导体基底的第一凹槽12；

所述扭转闪耀光栅结构14位于所述第一凹槽12内，且与所述半导体基底间隔一定的间距；

所述磁性薄膜结构13位于所述扭转闪耀光栅结构14背面，且与所述半导体基底及所述键合基底21间隔一定的间距。

作为示例，所述扭转闪耀光栅结构14包括扭转薄膜143、位于所述扭转薄膜143表面的V型闪耀光栅141、位于所述V型闪耀光栅143表面的光学高反膜142及位于所述扭转薄膜143两侧的弹性扭转梁144；所述弹性扭转梁144的数量可以根据实际需要设定，优选地，本实施例中，所述弹性扭转梁144的数量为两个，所述两个弹性扭转梁144位于所述扭转薄膜143相对的两侧；所述扭转薄膜143与所述半导体基底间隔一定的间距，且通过所述弹性扭转梁144与所述半导体基底相连接；

所述磁性薄膜13结构位于所述扭转薄膜143远离所述V型闪耀光栅141的表面上。

作为示例，所述光学高反膜142可以为金属反射膜或多层介质膜，优选地，所述光学高反膜142为金属膜，更为优选地，本实施例中，所述光学高反膜142为Au膜。

作为示例，所述磁性薄膜结构13包括依次层叠的粘附层131、磁性膜层132及抗氧化层133，且所述粘附层131与所述扭转闪耀光栅结构14的背部相接触；优选地，所述粘附层131可以为但不仅限于Ta层，所述磁性膜层132可以为但不仅限于NdFeB层，所述抗氧化层133可以为但不仅限于Ta层；其中，所述粘附层131及所述抗氧化层133的厚度可以为50nm左右，所述磁性膜层132的厚度可以为2μm左右。

作为示例，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器还包括光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜42、输入光纤41及输出光纤43，所述准直透镜42、所述输入光纤41及所述输出光纤43通过光学树脂61(包括密封胶611及粘结剂612)封装在一壳体51内；所述壳体51为一金属封装套管，所述准直透镜42与所述壳体51之间设有准直器金属套管71；如图7所示的结构中的所述扭转闪耀光栅结构14固定于一金属底座81上与所述光纤准直器对准后，与所述光纤准直器共同封装在所述壳体51内。

作为示例，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器还包括述过载保护盖体31，所述过载保护盖体31覆盖所述扭转闪耀光栅结构14，用于对所述扭转闪耀光栅结构14进行密封保护。

作为示例，所述过载保护盖体31为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层113、中间氧化层112及顶层硅111；所述过载保护盖体31内形成有贯穿所述顶层硅111及所述中间氧化层112的第二凹槽34；所述第二凹槽34底部及所述衬底硅层113背面对应于所述扭转闪耀光栅结构114的位置形成有光学增透膜32；所述过载保护盖体31中的顶层硅111与图7所示的结构通过介质层33圆片级键合封装在一起，所述介质层33可以为但不仅限于BCB胶(苯并环丁烯)。

所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的工作原理为基于外磁场与磁性薄膜结构13作用产生磁扭矩，造成机械结构的扭转来实现磁场检测的。假设磁性薄膜结构13平面内磁化，则其可以与垂直于所述扭转闪耀光栅结构14平面的磁场作用产生磁扭矩，在该磁扭矩作用下，所述扭转闪耀光栅结构14将产生扭转运动，产生的扭矩最终与所述弹性扭转梁144的扭转力矩平衡，所述扭转闪耀光栅结构14的扭转角度与外磁场对应；通过所述输入光纤41和所述准直透镜42的光经过所述扭转闪耀光栅结构14的衍射后通过所述准直透镜42和所述输出光纤43得到一特定波长的光，该波长与所述扭转闪耀光栅结构14的扭转角度相关，通过该特定波长的变化就可以得到外磁场的信息。

作为示例，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器工作过程包括所述磁性薄膜结构13与外磁场作用产生磁扭矩、所述扭转闪耀光栅结构14的扭转、所述扭转闪耀光栅结构14衍射分光的波长变化三个步骤。

综上所述，本发明提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法包括以下步骤：1)提供半导体基底，在所述半导体基底表面形成第一凹槽；2)在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构；3)提供键合基底，将所述半导体基底与所述键合基底键合，形成有所述第一凹槽的表面为键合面；4)在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构；5)依据所述磁性薄膜结构及所述闪耀光栅结构的位置对所述半导体基底进行刻蚀，以形成扭转闪耀光栅结构；6)对所述磁性薄膜结构进行磁化处理，以使所述磁性薄膜结构能够在与其磁化方向垂直的磁场作用下产生相应的磁扭矩。本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及制备方法，具有以下有益效果：直接在传感器芯片制造阶段将闪耀光栅结构和磁性薄膜结构集成在单一芯片上，大大简化了磁场传感器的制作工艺流程；传感器在工作时不需要电激励，使得该磁场传感器可以工作在水下、地底、无线传感网节点等电源受限或存在强电磁干扰等场合，具有小型化、高灵敏度、低成本、可批量化制作、使用范围广泛等特点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (17)

1.一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)提供半导体基底，在所述半导体基底表面形成第一凹槽；

2)在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构；

3)提供键合基底，将所述半导体基底与所述键合基底键合，形成有所述第一凹槽的表面为键合面；

4)在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构；

5)依据所述磁性薄膜结构及所述闪耀光栅结构的位置对所述半导体基底进行刻蚀，以形成扭转闪耀光栅结构；

6)对所述磁性薄膜结构进行磁化处理，以使所述磁性薄膜结构能够在与其磁化方向垂直的磁场作用下产生相应的磁扭矩。

2.根据权利要求1所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述顶层硅内。

3.根据权利要求2所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤4)中，在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构包括：

41)将键合后的所述半导体基底进行减薄处理，以去除所述衬底硅层；

42)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述中间氧化层；

43)使用KOH溶液腐蚀所述顶层硅，以在所述顶层硅内形成周期性的V型闪耀光栅；

44)在所述V型闪耀光栅表面形成光学高反膜。

4.根据权利要求2所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤5)中，形成的所述扭转闪耀光栅结构包括扭转薄膜、位于所述扭转薄膜表面的V型闪耀光栅、位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜及位于所述扭转薄膜两侧的弹性扭转梁；所述扭转薄膜通过所述弹性扭转梁与所述顶层硅相连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

6.根据权利要求1所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述磁性薄膜结构形成于所述第一凹槽的底部，包括依次层叠的粘附层、磁性膜层及抗氧化层，且所述粘附层与所述第一凹槽的底部相接触。

7.根据权利要求1所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构之后，还包括对所述磁性薄膜结构进行高温退火处理的步骤。

8.根据权利要求1所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤6)之后还包括：

提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤，所述准直透镜、所述输入光纤及所述输出光纤通过光学树脂封装在一壳体内；

将步骤6)得到的结构中的所述扭转闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并将步骤6)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内。

9.根据权利要求8所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤6)之后，将步骤6)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内之前，还包括使用过载保护盖体与步骤6)得到的结构进行键合封装，以实现对所述扭转闪耀光栅结构的密封的步骤。

10.根据权利要求9所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，其特征在于：使用过载保护盖体与步骤6)得到的结构进行键合封装包括：

提供过载保护盖体，所述过载保护盖体为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；

在所述过载保护盖体内形成第二凹槽，所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层；

在所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述扭转闪耀光栅结构的位置形成光学增透膜；

将形成有所述光学增透膜的所述过载保护盖体与步骤6)得到的结构通过介质层进行键合封装，所述过载保护盖体中的顶层硅及所述半导体基底的表面为键合面。

11.一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于，包括：半导体基底、键合基底、扭转闪耀光栅结构及磁性薄膜结构；

所述半导体基底键合于所述键合基底表面，且所述半导体基底内形成有贯穿所述半导体基底的第一凹槽；

所述扭转闪耀光栅结构位于所述第一凹槽内，且与所述半导体基底间隔一定的间距；

所述磁性薄膜结构位于所述扭转闪耀光栅结构背面，且与所述半导体基底及所述键合基底间隔一定的间距。

12.根据权利要求11所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于：

所述扭转闪耀光栅结构包括扭转薄膜、位于所述扭转薄膜表面的V型闪耀光栅、位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜及位于所述扭转薄膜两侧的弹性扭转梁；所述扭转薄膜与所述半导体基底间隔一定的间距，且通过所述弹性扭转梁与所述半导体基底相连接；

所述磁性薄膜结构位于所述扭转薄膜远离所述V型闪耀光栅的表面上。

13.根据权利要求12所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于：所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

14.根据权利要求11所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于：所述磁性薄膜结构包括依次层叠的粘附层、磁性膜层及抗氧化层，且所述粘附层与所述扭转闪耀光栅结构的背面相接触。

15.根据权利要求11所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于：还包括光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤；所述扭转闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并与所述光纤准直器共同封装在一壳体内。

16.根据权利要求11所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于：还包括述过载保护盖体，所述过载保护盖体覆盖所述扭转闪耀光栅结构。

17.根据权利要求16所述的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，其特征在于：所述过载保护盖体为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述过载保护盖体内形成有贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层的第二凹槽；所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述扭转闪耀光栅结构的位置形成有光学增透膜；所述过载保护盖体中的顶层硅与所述半导体基底的表面通过介质层键合封装。