CN107329099A - 一种扭摆平移式微机电磁场传感器 - Google Patents

一种扭摆平移式微机电磁场传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的衬底、底电极层、牺牲层、氧化硅层及金属层，牺牲层的中部空心，氧化层的中部为扭转板，金属层的顶面设有锚区，金属层位于扭转板上方；扭转板的上方设置第一电容、第二电容，第三电容和第四电容，扭转板的顶面布设有第一电容引线、第二电容引线、第三电容引线，第四电容引线和沿扭转板边缘布设的金属线；金属线的两端分别与一个焊盘连接；底电极层与金属层连接；在氧化硅层的边部上方设置焊盘，金属层与焊盘连接。该磁场传感器结构简单，可以实现磁场方向以及幅度的测量。

Description

一种扭摆平移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，涉及一种扭摆平移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。
磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支。在传统产业应用和改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面，它们发挥着愈来愈重要的作用。目前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。
随着微机电系统技术的发展，极大地推动了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BeverleyEyre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：提供一种扭摆平移式微机电磁场传感器，该磁场传感器可以测量磁场幅度及角度，且该磁场传感器结构简单。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种扭摆平移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衬底、底电极层、牺牲层、氧化硅层和金属层；牺牲层为中空结构，氧化硅层的顶面上设有第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘、第五焊盘、第六焊盘、第七焊盘、第八焊盘、第九焊盘、第十焊盘、第十一焊盘、第十二焊盘、第十三焊盘、第十四焊盘、第十五焊盘和第十六焊盘；氧化硅层的中部设有两个扭摆梁，每个扭摆梁一端通过一支撑梁与氧化硅层固定连接，扭摆梁和支撑梁处于悬空状态；扭摆梁的内侧设有可动平板，可动平板通过四个s型支撑梁与两个扭摆梁的内壁固定连接，可动平版和s型支撑梁处于悬空状态；扭摆梁边缘和支撑梁边缘布设有第一驱动金属线、第二驱动金属线、第三金属驱动线和第四金属驱动线；可动平板的顶面设有第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；第一电容通过第一电容引线与第八焊盘连接；第二电容通过第二电容引线与第九焊盘连接；第三电容通过第三电容引线与第十三焊盘连接；第四电容通过第四电容引线与第十二焊盘连接；第一驱动金属线的两端分别与第五焊盘和第十一焊盘连接，第二驱动金属线的两端分别与第六焊盘和第七焊盘连接，第三驱动金属线的两端分别与第十焊盘和第十六焊盘连接，第四驱动金属线的两端分别与第十四焊盘和第十五焊盘连接；牺牲层中设有含有金属柱的四个通孔，四个通孔分别位于第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘下方，底电极层通过通孔中的金属柱与第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘相连。
作为优选例，所述的第一电容、第二电容、第三电容和第四电容位于可动平板相对的四条边上；第一电容和第三电容平行，且对称分布；第二电容与第四电容平行，且对称分布。
作为优选例，所述的第一电容和第二电容位于可动平板相邻的两条边上，互相垂直；第三电容和第四电容位于可动平板相邻的两条边上，互相垂直；第一电容和第三电容对称布设，第二电容和第四电容对称布设。
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，可以实现磁场幅度和角度的测量。本发明的双扭摆式的微机电磁场传感器，利用扭摆和平移结构能分别感应三个正交方向的磁场作用，这样可以实现磁场方向运动幅度可以比拟，通过从第一电容、第二电容、第三电容和第四电容变化关系从而可以得到磁场方向，同时可以得到磁场的幅度。
2.功耗小、性能可靠。本发明利用测量两个扭摆梁的位移，来测量磁场的方向。整个测量过程中所用的电流为直流电，另外，本发明将金属线布设避免了相互作用力的抵消，在同样的磁场条件下，弯曲板受力最大产生的位移也最大，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是本发明的结构示意图；
图2是图1中的a-a剖面图。
图中有：衬底1、底电极层2、牺牲层3、氧化硅层4、金属层5、第一焊盘6、第二焊盘7、第三焊盘8、第四焊盘9、第五焊盘10、第六焊盘11、第七焊盘12、第八焊盘13、第九焊盘14、第十焊盘15、第十一焊盘16、第十二焊盘17、第十三焊盘18、第十四焊盘19、第十五焊盘20、第十六焊盘21、扭摆梁22、支撑梁23、可动平板24、支撑梁25、第一驱动金属线26、第二驱动金属线27、第三金属驱动线28、第四金属驱动线29、第一电容30、第二电容31、第三电容32、第四电容33、第一电容引线34、第二电容引线35、第三电容引线36、第四电容引线37。
具体实施方案
下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例的一种扭摆平移式微机电磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的衬底1、底电极层2、牺牲层3、氧化硅层4和金属层5。牺牲层3为中空结构。氧化硅层4的顶面上设有第一焊盘6、第二焊盘7、第三焊盘8、第四焊盘9、第五焊盘10、第六焊盘11、第七焊盘12、第八焊盘13、第九焊盘14、第十焊盘15、第十一焊盘16、第十二焊盘17、第十三焊盘18、第十四焊盘19、第十五焊盘20和第十六焊盘21。氧化硅层4的中部设有两个扭摆梁22。每个扭摆梁22一端通过一支撑梁23与氧化硅层4固定连接，扭摆梁22和支撑梁23处于悬空状态。扭摆梁22的内侧设有可动平板24，可动平板24通过四个s型支撑梁25与两个扭摆梁22的内壁固定连接，可动平版24和s型支撑梁25处于悬空状态。扭摆梁23边缘和支撑梁25边缘布设有第一驱动金属线26、第二驱动金属线27、第三金属驱动线28和第四金属驱动线29。可动平板24的顶面设有第一电容30、第二电容31、第三电容32和第四电容33。第一电容30通过第一电容引线34与第八焊盘13连接。第二电容31通过第二电容引线35与第九焊盘14连接。第三电容32通过第三电容引线36与第十三焊盘18连接；第四电容33通过第四电容引线37与第十二焊盘17连接。第一驱动金属线26的两端分别与第五焊盘10和第十一焊盘16连接，第二驱动金属线27的两端分别与第六焊盘11和第七焊盘12连接，第三驱动金属线28的两端分别与第十焊盘15和第十六焊盘21连接，第四驱动金属线29的两端分别与第十四焊盘19和第十五焊盘20连接。牺牲层3中设有含有金属柱的四个通孔38，四个通孔38分别位于第一焊盘6、第二焊盘7、第三焊盘8和第四焊盘g下方，底电极层2通过通孔38中的金属柱与第一焊盘6、第二焊盘7、第三焊盘8、第四焊盘9相连。
作为优选例，所述的第一电容30、第二电容31、第三电容32和第四电容33位于可动平板24相对的四条边上；第一电容30和第三电容32平行，且对称分布；第二电容31与第四电容33平行，且对称分布。所述的第一电容30和第二电容31位于可动平板24相邻的两条边上，互相垂直。
上述实施例扭摆平移式微机电磁场传感器的制备方法包括以下步骤：
1)n-Si衬底清洗：以n-Si(111)片为衬底，用机械冲洗和氧化酸冲洗，之后用超净水冲洗；
2)杂志离子注入：将杂质离子注入到衬底表面形成电极图案和引线；
3)外延生长牺牲层：外延生长一层硅；
4)氧化物掩膜及通孔：硅片在有水气的高温炉中反应形成氧化硅，光刻形成通孔掩膜，湿法刻蚀形成通孔；
5)通孔掺杂：离子注入在通孔内表面形成掺杂区域；
6)氧化研磨的去除以及形成新的氧化层：HF酸去除氧化层，生长另一层氧化层，光刻形成结构形状；
7)电极的淀积以及引线的淀积：淀积一层金形成上电极板以及引线；
8)释放牺牲层：湿法刻蚀去除氧化硅下面的牺牲层。
该扭转平移结构可以测量三个不同方向的磁场大小。该结构的磁场传感器工作过程是：
为了测量沿x轴方向(其中，以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，垂直于纸面向内为z轴)的磁场分量，在第一驱动金属线26以及第三驱动金属线28上通以方向相反直流电，使得可动平板24的两侧沿着不同的方向扭转。第二电容31以及第四电容33的电容大小，一个会增大，一个会减小。对电容值大小依据式(1)进行分段求和，忽略边缘电容，可得到第二电容及第四电容的大小：
其中，L0为第二电容31和第四电容33沿x方向的电容宽度，ε0为介电常数，b为电容沿y轴方向的长度，d为上下极板(即底电极层2和氧化硅层4)之间的距离，δ表示可动平板的倾斜斜率。
x轴方向的磁场大小
其中k为结构等效弹性系数，Δd为电容极板间距的变化，I为通过电流，L1为第一驱动金属线26在扭转平板上的长度。
为了测量沿y轴方向的磁场分量，在第二驱动金属线27以及第四驱动金属线29上通以方向相反直流电，使得可动平板24的两侧沿着不同的方向扭转。第一电容30以及第三电容32的电容大小，一个会增大，一个会减小。对电容值大小进行分段求和，忽略边缘电容，可得到第二电容及第四电容的大小：
其中，L1为第一电容30和第三电容32沿y方向的电容宽度，ε0为介电常数，bx为电容沿x轴方向的长度，d为底电极层2和氧化硅层4之间的距离，δ表示可动平板的倾斜斜率。
y轴方向的磁场大小
其中k为结构等效弹性系数，Δd为电容极板间距的变化，I为通过电流，L2为第二驱动金属线27在扭转平板上的长度。
为了测量沿z轴方向的磁场分量，即垂直于纸面的磁场大小，在第二驱动金属线27以及第四驱动金属线29上通以方向相同直流电，可动平板24会沿着y轴方向进行平移，第一电容30，第二电容31，第三电容32，第四电容33会减小，变化得磁场大小为：
其中，ΔS为四个平板电容正对面积的减小量，d为底电极层2和氧化硅层4之间的距离，δ表示可动平板的倾斜斜率。
z轴方向的磁场大小
其中k为结构等效弹性系数，Δy为结构在y方向上的位移，I为通过电流，L2为第二驱动金属线27在扭转平板上的长度。
通过电容的变化可以得到结构的位移变化，从而可以得到对应的洛伦兹力的大小，计算可得相应的磁场大小B。
磁场的方向与坐标轴的夹角分别为：
其中，θx表示磁场方向与x轴的夹角，θy表示磁场方向与y轴的夹角，θz表示磁场方向与z轴的夹角。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种扭摆平移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衬底(1)、底电极层(2)、牺牲层(3)、氧化硅层(4)和金属层(5)；
牺牲层(3)为中空结构，氧化硅层(4)的顶面上设有第一焊盘(6)、第二焊盘(7)、第三焊盘(8)、第四焊盘(9)、第五焊盘(10)、第六焊盘(11)、第七焊盘(12)、第八焊盘(13)、第九焊盘(14)、第十焊盘(15)、第十一焊盘(16)、第十二焊盘(17)、第十三焊盘(18)、第十四焊盘(19)、第十五焊盘(20)和第十六焊盘(21)；氧化硅层(4)的中部设有两个扭摆梁(22)，每个扭摆梁(22)一端通过一支撑梁(23)与氧化硅层(4)固定连接，扭摆梁(22)和支撑梁(23)处于悬空状态；扭摆梁(22)的内侧设有可动平板(24)，可动平板(24)通过四个s型支撑梁(25)与两个扭摆梁(22)的内壁固定连接，可动平版(24)和s型支撑梁(25)处于悬空状态；扭摆梁(23)边缘和支撑梁(25)边缘布设有第一驱动金属线(26)、第二驱动金属线(27)、第三金属驱动线(28)和第四金属驱动线(29)；可动平板(24)的顶面设有第一电容(30)、第二电容(31)、第三电容(32)和第四电容(33)；
第一电容(30)通过第一电容引线(34)与第八焊盘(13)连接；第二电容(31)通过第二电容引线(35)与第九焊盘(14)连接；第三电容(32)通过第三电容引线(36)与第十三焊盘(18)连接；第四电容(33)通过第四电容引线(37)与第十二焊盘(17)连接；第一驱动金属线(26)的两端分别与第五焊盘(10)和第十一焊盘(16)连接，第二驱动金属线(27)的两端分别与第六焊盘(11)和第七焊盘(12)连接，第三驱动金属线(28)的两端分别与第十焊盘(15)和第十六焊盘(21)连接，第四驱动金属线(29)的两端分别与第十四焊盘(19)和第十五焊盘(20)连接；
牺牲层(3)中设有含有金属柱的四个通孔(38)，四个通孔(38)分别位于第一焊盘(6)、第二焊盘(7)、第三焊盘(8)和第四焊盘(9)下方，底电极层(2)通过通孔(38)中的金属柱与第一焊盘(6)、第二焊盘(7)、第三焊盘(8)、第四焊盘(9)相连。
2.按照权利要求1所述的扭摆平移式微机电磁场传感器，其特征在于，所述的第一电容(30)、第二电容(31)、第三电容(32)和第四电容(33)位于可动平板(24)相对的四条边上；第一电容(30)和第三电容(32)平行，且对称分布；第二电容(31)与第四电容(33)平行，且对称分布。
3.按照权利要求1所述的扭摆平移式微机电磁场传感器，其特征在于，所述的第一电容(30)和第二电容(31)位于可动平板(24)相邻的两条边上，互相垂直；第三电容(32)和第四电容(33)位于可动平板(24)相邻的两条边上，互相垂直；第一电容(30)和第三电容(32)对称布设，第二电容(31)和第四电容(33)对称布设。
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