CN107271930B - 一种折合梁结构的mems磁场传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折合梁结构的MEMS磁场传感器及制备方法，所述传感器包括衬底上加工的中央固定的金属T型折合梁。折合梁所形成的电极与衬底上的电极组成可变电容。本发明的原理为，T型折合梁结构上加工的金属线圈在通入电流后受到洛伦兹力使梁发生弯曲变形，从而改变两电极间距，实现电容值的改变。通过检测电容改变量即可测得磁场大小。该折合梁结构能够实现对可动极板的有效支撑，并提供相对传统结构较小的等效弹性系数，相比传统扭转梁结构，可降低传感器加工过程中的各种残余应力，提高传感器的灵敏度，降低其功耗。由于传感器的T型折合梁结构能够起到对应力的释放作用，从而增长其使用寿命。

Description

一种折合梁结构的MEMS磁场传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种扭转式高灵敏度MEMS磁场传感器的结构及制作方法，本发明属于MEMS传感器领域与微纳加工领域。

背景技术

磁场传感器是众多传感器中的一种。磁场传感器在物理、机械和军事等领域发挥着重要的作用。将磁场传感器放置在磁场中，传感器能够鉴别出磁场的方向和强度。当和永磁铁组合在一起时，可以实现电流、速度、角度等变化量的非接触测量；磁场传感器可以用于工业生产中对制造过程实时的检测和控制；同时，在矿产资源开发和医疗电子等领域也有广泛应用。

MEMS磁场传感器，是MEMS技术出现以来，利用包含集成电路工艺在内的微纳加工技术设计并加工实现的新型磁场传感器。其特点是传感机理多样化、灵敏度大幅提升、功耗大幅降低、器件尺寸小型化、高精度批量制造，及与集成电路的单片集成。

国内外对于MEMS磁场传感器的研究和市场上成熟的磁场传感器产品主要有：基于洛伦兹力检测的U型梁磁场传感器、扭摆式磁场传感器、微型磁通门传感器等。基于洛伦兹力检测的U型梁磁场传感器是利用U型梁在洛伦兹力的作用下发生形变，产生电阻或电容的改变，完成磁场检测，但其磁场分辨率一般不够高，不适用于需要高灵敏度与分辨率的场合。扭摆式传感器两侧有锚区固定，中间为扭转平板，平板边缘镀有金属导线，导线中通有电流，在磁场中，受到洛伦兹力的驱动发生扭摆。但其转轴部分所受应力较大，存在易损坏、寿命短的问题。微型磁通门式传感器能够适用于较宽的弱磁场范围检测，具有较高的灵敏度，但其缺点是器件功耗与体积较大。

现有的以上几类MEMS磁场传感器所存在的低分辨率、短寿命、大功耗的问题限制了它们的应用范围，因此需要进一步发展高分辨率、长寿命、低功耗的传感器结构。特别是由于机械可动部件的存在，减小内部应力、提高器件的抗疲劳度、增加传感器使用寿命是优化传感器其他性能的前提和关键问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有磁场传感器所存在的制作工艺复杂、稳定性差、灵敏度低的缺陷，提供一种新的MEMS磁场传感器结构，以实现高分辨率、低功耗、高灵敏度、长寿命的磁场传感器。在本发明中，带有T型结构的折合梁能够有效地释放梁变形时所受到的应力，增长器件寿命。折合梁由于具有镂空结构，可提供较小的弹性系数，能够提高灵敏度。由于对称式T型梁的运动产生差分电容，有助于提高分辨率、减小测量误差。由于折合梁减小了梁的质量，有益于降低功耗。

本发明的第二目的是提出一种基于折合梁结构的MEMS磁场传感器制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，由折合梁结构与衬底组成；折合梁结构的材质为金属，且为T型；折合梁结构本身成为电极，衬底上设有电极；折合梁结构的电极与衬底上的电极形成可变电容；在折合梁结构的上表面设有绝缘层，绝缘层上设有金属线圈；金属线圈在通入电流后，在磁场中受到洛伦兹力使折合梁结构发生弯曲变形，从而改变折合梁结构与衬底间的电极间距，实现电容值的改变；折合梁结构两端的电容变化趋势相反，形成差分电容；由差分电容改变量反馈得到磁场大小。

进一步说，本MEMS磁场传感器由折合梁结构B与衬底S组成；

衬底S矩形块体；在衬底S顶面的中部设有凹槽；在衬底S的凹槽底面设有折合梁结构B；

所述折合梁结构B由上矩形块体和下矩形柱体2部分组成；上矩形块体为本MEMS磁场传感器的上电极；上矩形块体底面的中心与下矩形柱体的顶端相连接，上矩形块体的水平轮廓面积大于下矩形柱体的水平轮廓面积；折合梁结构B呈T形；

在上矩形块体的顶面覆盖有绝缘层I；在绝缘层I的顶面设有2组线圈W；线圈W位于下矩形柱体的两侧，且相互对称；

在与下矩形柱体相接处的衬底S凹槽上开有贯穿孔，贯穿孔内填充有金属；在该贯穿孔底部开口处的衬底S上设有折合梁结构电极1；通过该贯穿孔内的金属将下矩形柱体与折合梁结构电极1相连；

在线圈W下方的衬底S凹槽表面设有衬底电极2；即设有2组衬底电极2；衬底电极2为本MEMS磁场传感器的下电极；在与衬底电极2相接处的衬底S上开有贯穿孔，衬底电极2的底部向下延伸，并从对应的贯穿孔中穿出；

上电极与下电极构成本MEMS磁场传感器的可变电容；

线圈W为令上电极在磁场环境中弯曲变形的磁感线圈。

一种折合梁结构的MEMS磁场传感器的制备方法，本磁场传感器的制备方法为单独制备法或IC电路集成制备法；

所述单独制备是在圆晶硅片或SOI片上直接制备；

所述IC电路集成制备法，是在已经完成IC电路结构的硅片上进行钝化层淀积保护电路结构，再进行传感器制备，最后去除IC电路上的钝化层；

直接制备法或多步制备法的工艺均为：取一块圆晶硅片、SOI片或完成钝化层淀积保护电路结构IC电路结构的硅片；首先在衬底上淀积下电极，下电极可采用淀积铜或金材料，或由P型重掺杂工艺形成；将第一导电层金属1淀积到衬底表面，优选的方案是，第一导电层金属为金属铝；进行旋涂光刻胶，并利用光刻胶图形化第一金属层，然后电镀一层第二导电层金属，优选的方案是，第二导电层金属为金属镍或铬；并采用光刻等辅助工艺实现图形化，得到上电极。在上电极金属层的上表面，淀积一层氮化硅或二氧化硅用作绝缘层。同时，对该绝缘层进行图形化，腐蚀去掉俯视图中的两个矩形区域，并以图形化的绝缘层为掩膜，刻蚀去掉相应的上电极金属矩形区域。进行器件背面刻蚀，以淀积等方式完成上下电极的引出。在绝缘层的上表面，淀积并刻蚀形成环形铜、金或铝电极，作为导电线圈。最后进行后续封装。

一种折合梁结构的MEMS磁场传感器的用途/性能：

在B＝100mT的磁场中时，向本磁场传感器通入50mA电流至感应线圈，梁顶端位移达到3μm；

本磁场传感器的量程达到0.5-1T；

当外加磁场改变1mT时，本磁场传感器的差分电容差值变化量为50fF，即灵敏度约为50fF/mT，分辨率为20nT；

本磁场传感器的功率为50mW-100mW。

本传感器具有大量程、高灵敏度特性，可用于地磁场、一般工业设备磁场、医疗设备磁场等多种测量领域，相比上述领域的专用磁场传感器，具有较高的适用性。

T型折合梁结构极大地释放了加工过程中的各种材料应力，工作中的最大应力约为5MPa，远远小于一般设计结构的应力标准最大值500Mpa。

对于量程范围内的使用，其寿命高于10亿次。

为了更好地解释本发明的结构与工艺特点，现换一个角度阐述本发明：

MEMS磁场传感器采用n型(100)硅片制备传感器结构。总体结构如图1所示，器件的总长建议但不限为1000um-4000um，为平面对称平板结构。从平板的一端到T型折合梁镂空处的距离建议但不限为平板总长度的1/3。锚区中心位于整体结构的中心，可为平面矩形结构，宽度建议但不限为结构总体宽度的1/3。平板结构的空隙如图1所示有对称的两处，宽度均建议但不限为总结构宽度的1/4。平板结构的厚度建议但不限为10-30um。

梁中央采用锚区固定。在梁结构上镀上如图所示的金属线，通有电流的金属导线，在磁场中受到洛伦兹力作用，使得结构受力发生弯曲变形。当梁结构受到的洛伦兹力F和悬臂梁弯曲变形产生的应力相等时，梁就达到了稳定状态。此时梁所产生的位移使得梁极板与衬底电极之间的电容改变，通过检测电路测得电容改变大小，即可计算出磁场强度。

本传感器结构由以下方法实现：

a.如图2-1所示，采用深反应离子刻蚀工艺，在n型硅片上刻蚀一定深度的腔体，深度建议但不限于30-40um，腔体面积应大于传感器面积，视传感器面积的大小而定。本步工艺也可基于SOI衬底完成。

b.如图2-2所示，在腔体内淀积并图形化金属层1，形成下电极，电极可为矩形，在锚区两边对称分布，尺寸建议但不限为1000*500um，厚度建议但不限为1um，如图所示左右各一。

c.如图2-3、图2-4所示，淀积牺牲层金属2。牺牲层至衬底的厚度总厚度建议但不限于15-25um。其中图2-4步骤所淀积厚度建议但不限为1-2um，与后续上电极厚度相等。

d.如图2-4所示，在牺牲层金属2上，电镀镍等金属，形成可动平板，平板的厚度即上电极厚度，建议但不限为1-2um。

e.如图2-5所示，在上电极表面淀积SiO₂或Si₃N₄等绝缘层，并利用光刻等工艺对其图形化，包括形成空隙结构。该层与上电极一起形成平板，并将下电极与平板上的金属线圈隔离。

f.如图2-5所示，在绝缘层上表面淀积并图形化金属层3，厚度建议但不限为0.5um，形成磁感应线圈，线圈可为矩形、圆形或其他不规则形状。

g.如图2-6所示，对硅衬底背面进行图形化深反应离子刻蚀，并进行金属Au、Cu等淀积，该工艺的作用是完成上下电极的引出。

h.如图2-7所示，进行牺牲层腐蚀，释放梁结构。

有益效果

支撑梁在梁的扭转中承受着最大的应力，相比较传统的双端自由梁/板结构，本发明中的折合梁结构很大程度上释放了支撑梁与平板连接的应力，使平板能够获得更大的位移自由度，提高结构整体的灵敏度。本发明的应力水平降低，在传感器工作过程中能够保证更好的机械性能稳定性，不易出现材料疲劳断裂的情况。

通过设置典型的传感器几何参数，利用ANSYS软件对器件结构工作过程进行模拟，结果表明当外加磁场增加到B＝120mT时，梁顶端位移可达到3.28μm。当外加磁场改变1mT时，电容差值变化量为23.5fF，即灵敏度约为23.5fF/mT，分辨率可达42.55nT。

附图说明

图1为本发明中磁场传感器主体结构示意图。

图2为本发明方法的光刻工艺示意图。

图3为本发明的俯视图去掉盖板P。

图4为图3的AA剖视图。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明的结构特点与技术细节。

参见图1、3和4，一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，由折合梁结构与衬底组成；折合梁结构的材质为金属，且为T型；折合梁结构本身成为电极，衬底上设有电极；折合梁结构的电极与衬底上的电极形成可变电容；在折合梁结构的上表面设有绝缘层，绝缘层上设有金属线圈；金属线圈在通入电流后，在磁场中受到洛伦兹力使折合梁结构发生弯曲变形，从而改变折合梁结构与衬底间的电极间距，实现电容值的改变；折合梁结构两端的电容变化趋势相反，形成差分电容；由差分电容改变量反馈得到磁场大小。

参见图3和4，进一步说，本MEMS磁场传感器由折合梁结构B与衬底S组成；

衬底S矩形块体；在衬底S顶面的中部设有凹槽；在衬底S的凹槽底面设有折合梁结构B；

所述折合梁结构B由上矩形块体和下矩形柱体2部分组成；上矩形块体为本MEMS磁场传感器的上电极；上矩形块体底面的中心与下矩形柱体的顶端相连接，上矩形块体的水平轮廓面积大于下矩形柱体的水平轮廓面积；折合梁结构B呈T形；

在上矩形块体的顶面覆盖有绝缘层I；在绝缘层I的顶面设有2组线圈W；线圈W位于下矩形柱体的两侧，且相互对称；

在与下矩形柱体相接处的衬底S凹槽上开有贯穿孔，贯穿孔内填充有金属；在该贯穿孔底部开口处的衬底S上设有折合梁结构电极1；通过该贯穿孔内的金属将下矩形柱体与折合梁结构电极1相连；

在线圈W下方的衬底S凹槽表面设有衬底电极2；即设有2组衬底电极2；衬底电极2为本MEMS磁场传感器的下电极；在与衬底电极2相接处的衬底S上开有贯穿孔，衬底电极2的底部向下延伸，并从对应的贯穿孔中穿出；

上电极与下电极构成本MEMS磁场传感器的可变电容；

线圈W为令上电极在磁场环境中弯曲变形的磁感线圈。

进一步说，在衬底S凹槽的顶部开口处设有环形块体C；在绝缘层I的顶面设有盖板P。进一步说，环形块体C为矩形环；线圈W分2组，各有2个端点，2组端点分别从环形块体C的较长两边处就近引出；

进一步说，上矩形块体的顶面与衬底S的顶面相互平齐。

参见图3，进一步说，绝缘层I的两个长边上设有凸块，所述凸块水平延伸，直至与绝缘层I相连接。

进一步说，折合梁结构B的材质为金属，或P型重掺杂硅；

衬底S的材质是晶面为(100)的n型硅片、SOI晶圆或玻璃；

绝缘层I的材质为二氧化硅或氮化硅；

折合梁结构电极1的材质为金属，或P型重掺杂硅；

衬底电极2的材质为金属；

环形块体C的材质为绝缘体，进一步说，环形块体C的材质为封装胶；

盖板P的材质为绝缘体，进一步说，盖板P的材质为树脂等聚合物材料；

进一步说，衬底S的总长在1000μm-4000μm，总宽为600μm-1000μm，且总长大于总宽，为平面对称平板结构；

在下矩形柱体的两侧的上矩形块体上设有2组镂空区域，镂空区域为矩形的贯穿孔，从矩形块体的一端到T型折合梁镂空处的距离为平板总长度的1/4-1/3，每一镂空区域宽度为上矩形块体宽度的1/6至1/4；

折合梁结构B和绝缘层I的厚度之和为10-40μm；上矩形块体的厚度，包含。

一种折合梁结构的MEMS磁场传感器的制备方法，本磁场传感器的制备方法为单独制制备法或IC电路集成制备法；

所述单独制制备是在圆晶硅片或SOI片上直接制备；

所述IC电路集成制备法，是在已经完成IC电路结构的硅片上进行钝化层淀积保护电路结构，再进行传感器制备，最后去除IC电路上的钝化层；

单独制制备法或IC电路集成制备法的工艺均为：取一块圆晶硅片、SOI片或完成钝化层淀积保护电路结构IC电路结构的硅片；首先在衬底上淀积下电极，下电极可采用淀积铜或金材料，或由P型重掺杂工艺形成；将第一导电层金属1淀积到衬底表面，优选的方案是，第一导电层金属为金属铝；进行旋涂光刻胶，并利用光刻胶图形化第一金属层，然后电镀一层第二导电层金属，优选的方案是，第二导电层金属为金属镍或铬；并采用光刻等辅助工艺实现图形化，得到上电极。在上电极金属层的上表面，淀积一层氮化硅或二氧化硅用作绝缘层。同时，对该绝缘层进行图形化，腐蚀去掉俯视图中的两个矩形区域，并以图形化的绝缘层为掩膜，刻蚀去掉相应的上电极金属矩形区域。进行器件背面刻蚀，以淀积等方式完成上下电极的引出。在绝缘层的上表面，淀积并刻蚀形成环形铜、金或铝电极，作为导电线圈。最后进行后续封装。

参见图2，进一步说，本发明所述的一种折合梁结构的MEMS磁场传感器的制备方法，以基于硅衬底的制备为例，具体按如下步骤进行：

步骤1.取一块硅片，利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀腔体，淀积并图形化第一金属层；

步骤2.淀积并图形化第二金属层，第二金属层为牺牲层，第二金属层与第一金属层的材质不相同；

步骤3.为得到作为牺牲层腐蚀的开口，继续淀积并图形化牺牲层第二金属层；补充地说，由第2步获得的图形与由第3步获得的图形图形不同。为得到台阶状牺牲层，必须且只能通过多步淀积工艺实现。

步骤4.电镀并图形化第三金属层，第三金属层为上电极；

步骤5.淀积绝缘层，并图形化；

步骤6.对器件背面进行深反应离子刻蚀，并对刻蚀孔进行金属淀积，完成上下电极引出；

步骤7.牺牲层腐蚀，释放折合梁结构；随后在释放后的折合梁结构上淀积并图形化线圈，获得成品；线圈的材质与第一金属层的材质相同。

优选的方案是，以基于硅衬底的制备为例，按如下步骤进行折合梁结构的MEMS磁场传感器的制备：

步骤1：

1.1清洗(100)晶面的n型双面抛光硅片；

1.2对经过清洗的硅片进行DRIE(深反应离子)刻蚀，刻蚀深度为30-40μm，腔体为1000*600μm矩形，面积大于传感器折合梁在衬底上的投影面积；

1.3利用LPCVD(低压化学气相淀积)工艺，淀积第一金属，厚度为1μm；优选的方案是，第一金属为铜；

1.4利用光刻及腐蚀工艺，对第一金属进行图形化，形成下电极，下电极形状为矩形，面积不大于折合梁在衬底上的投影面积；

步骤2:

2.1淀积第二金属，第二金属的沉积厚度为20μm；将本步骤沉积获得的结构为称为第二金属第一层；第二金属第一层为牺牲层；优选的方案是，第二金属为铝；

2.2以光刻胶为掩膜，对步骤2.1获得的第二金属第一层进行图形化，形成中心柱状锚区；

步骤3：

3.1继续淀积第二金属，厚度为10μm，与衬底的上边沿齐平；将本步骤沉积获得的结构为称为第二金属第二层

3.2对由步骤3.1获得的第二金属第二层进行图形化，图形化后获得的产物称为环形边框；环形边框的轮廓是宽度为5μm的矩形框体；

步骤4：

4.1用第三金属进行电镀，电镀形成的厚度大于10μm；优选的方案是，第三金属为镍；

4.2利用光刻胶做掩模板，通过腐蚀去除不需电镀的区域，同时实现两个对称的镂空区域；镂空区域的面积均为300*100μm，长边均与锚区边沿齐平；

4.3采用化学机械抛光，使由步骤4.1形成的上表面，与硅衬底的上边沿齐平；

步骤5：

5.1淀积一层绝缘层，绝缘层的厚度为5μm；优选的方案是，绝缘层的材质为二氧化硅；

5.2利用光刻胶做掩膜，对绝缘层进行腐蚀，使绝缘层的覆盖面积与第三金属层相一致；

步骤6：

6.1对硅片背面进行深反应离子刻蚀，刻蚀穿通区域分别与衬底电极、上电极的锚区相连；衬底电极的材质是铜，上电极的材质是镍；

6.2在刻蚀通孔中淀积金属铜，与6.1中衬底电极、上电极的锚区相连；

步骤7：

7.1在绝缘层上淀积第一金属；

7.2对步骤7.1形成的第一金属进行刻蚀，图形化形成线圈，并完成线圈向长边两侧的引出，以便于封装后的引脚加工；

7.3进行牺牲层腐蚀，释放第二金属，获得成品。

一种折合梁结构的MEMS磁场传感器的用途/性能：

在B＝100mT的磁场中时，向本磁场传感器通入50mA电流至感应线圈，梁顶端位移达到3μm；

本磁场传感器的量程达到0.5-1T；

当外加磁场改变1mT时，本磁场传感器的差分电容差值变化量为50fF，即灵敏度约为50fF/mT，分辨率为20nT；

本磁场传感器的功率为50mW-100mW。

该传感器具有大量程、高灵敏度特性，可用于地磁场、一般工业设备磁场、医疗设备磁场等多种测量领域，相比上述领域的专用磁场传感器，具有较高的适用性。

T型折合梁结构极大地释放了加工过程中的各种材料应力，工作中的最大应力约为5MPa，远远小于一般设计结构的应力标准最大值500Mpa。

对于量程范围内的使用，其寿命高于10亿次。

Claims (5)

1.一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，其特征在于，本MEMS磁场传感器由折合梁结构(B)与衬底(S)组成；折合梁结构(B)的材质为金属，且为T型；折合梁结构(B)本身成为电极，衬底上设有电极；折合梁结构(B)的电极与衬底上的电极形成可变电容；在折合梁结构(B)的上表面设有绝缘层，绝缘层上设有金属线圈；金属线圈在通入电流后，在磁场中受到洛伦兹力使折合梁结构发生弯曲变形，从而改变折合梁结构与衬底间的电极间距，实现电容值的改变；折合梁结构(B)两端的电容变化趋势相反，形成差分电容；由差分电容改变量反馈得到磁场大小；

衬底(S)矩形块体；在衬底(S)顶面的中部设有凹槽；在衬底(S)的凹槽底面设有折合梁结构(B)；

所述折合梁结构(B)由上矩形块体和下矩形柱体2部分组成；上矩形块体为本MEMS磁场传感器的上电极；折合梁结构(B)呈T形；

在上矩形块体的顶面覆盖有绝缘层(I)；在绝缘层(I)的顶面设有2组线圈(W)；

在与下矩形柱体相接处的衬底(S)凹槽上开有贯穿孔，贯穿孔内填充有金属；在该贯穿孔底部开口处的衬底(S)上设有折合梁结构电极(1)；通过该贯穿孔内的金属将下矩形柱体与折合梁结构电极(1)相连；

在线圈(W)下方的衬底(S)凹槽表面设有衬底电极(2)；衬底电极(2)为本MEMS磁场传感器的下电极；在与衬底电极(2)相接处的衬底(S)上开有贯穿孔，衬底电极(2)的底部向下延伸，并从对应的贯穿孔中穿出；

上电极与下电极构成本MEMS磁场传感器的可变电容；

线圈(W)为令上电极在磁场环境中弯曲变形的磁感线圈。

2.权利要求1所述的一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，其特征在于，在衬底(S)凹槽的顶部开口处设有环形块体(C)；在环形块体(C)的顶面设有盖板(P)。

3.权利要求1所述的一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，其特征在于，上矩形块体的顶面与衬底(S)的顶面相互平齐。

4.权利要求1所述的一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，其特征在于，

折合梁结构(B)的材质为金属，或P型重掺杂硅；

衬底(S)的材质是晶面为(100)的n型硅片、SOI晶圆或玻璃；

绝缘层(I)的材质为二氧化硅或氮化硅；

折合梁结构电极(1)的材质为金属，或P型重掺杂硅；

衬底电极(2)的材质为金属；

环形块体(C)的材质为绝缘体；

盖板(P)的材质为绝缘体。

5.权利要求2所述的一种折合梁结构的MEMS磁场传感器，其特征在于，衬底(S)的总长在1000μm-4000μm，总宽为600μm-1000μm，且总长大于总宽，为平面对称平板结构；

在下矩形柱体的两侧的上矩形块体上设有2组镂空区域，镂空区域为矩形的贯穿孔，从矩形块体的一端到T型折合梁镂空处的距离为平板总长度的1/4-1/3，每一镂空区域宽度为上矩形块体宽度的1/6至1/4；

折合梁结构(B)和绝缘层(I)的厚度之和为10-40μm。