CN111609870B - 一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法，包括整平衬底；利用电镀或物理气相沉积制备具有垂直磁各向异性的底部硬磁体；用蚀刻法清除可蚀刻材料而制备中空管的，以容纳含硬磁材料的悬浮体；在临时可蚀刻材料中制备具有垂直磁各向异性的含硬磁材料的悬浮体，其硬磁材料有与底部硬磁体不一样的磁矫顽力；悬浮体通过蚀刻去除临时可蚀刻材料而释放于中空管中；在中空管外制备感应器；利用均匀外磁场对传感器的每个关键磁性部件进行磁化，以获取设计期望的磁化方向；切割所述衬底以获得单个所述的传感器。本发明给出了利用半导体晶圆工艺与微电子机械系统(MEMS)技术相结合，大规模低成本生产这种类型传感器的制造方案。

Description

一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法

本申请是申请号为201510095638.2，申请日为2015年1月29日，发明创造名称为“一种微电子机械系统传感器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及到可用于跌倒检测，相对于重力方向的数字化倾斜角度测量，高灵敏度的数字化机械振动和机械脉冲测量等的微电子机械系统传感器的大规模生产方法。

背景技术

跌倒检测非常重要的，其广泛地应用于老年人护理，病人护理，儿童护理，残疾人护理，以及如滑雪，徒步旅行，骑自行车等户外运动安全保障等方面。生产一个可靠的跌倒检测系统产品具有巨大的市场潜力和有益的社会影响。基于加速度传感器的常规跌倒检测系统使用了大量不同的算法以建立跌倒事件的加速度模型或阈值，并通过比较跌倒过程中获得的加速度数据与预设的模型或阈值来检测跌倒事件是否发生。然而，随机跌倒事件取决于当时的实际情况和宿主跌倒之前的运动情况。如此复杂的跌倒事件，不可能用一种精确的算法模型来模拟事件发生的实际情况。尽管付出了巨大的努力，可市场上并没有一种很有影响力的成功产品。本发明通过直接监测事件发生时宿主与当地重力方向之间的相对

位置和方位的变化过程以判断跌倒事件是否发生，彻底解决了上述难题。

相对于跌倒检测而言，测量相对于重力方向的倾斜角度也非常有用。目前，相对于重力方向或地面的倾斜角度也多半是由加速度计测量加速度而间接得到。

高敏感的振动检测也有很多的应用。常规的一般使用加速度计(如压电传感器或电容传感器)，速度传感器(如电磁线速度换能器)，物体接近探头(如电容或涡电流)，或激光位移传感器对振动进行检测。在本专利中，我们发明了一种全新的传感器，用于满足上述倾斜传感器或振动传感器的应用要求。同时给出了针对不同的灵敏度要求的各种设计实例。

发明内容

本发明提供了一种具有如跌倒检测，动态倾斜检测和振动检测等多种应用的微电子机械系统传感器，同时给出了具有不同的灵敏度的各种传感器设计方案。本发明并给出了利用半导体晶圆工艺与微电子机械系统(MEMS)技术相结合，大规模低成本生产这种类型传感器的制造方案。

该传感器具有很强的单轴性，可用于检测沿其单轴方向的薄膜或硬表面上的振动。基于该传感器可开发出一种新型声纳技术。

基于本发明的传感器，另加线圈的设计可采集振动能量作为能源而形成一个自供电的多用途传感器。

与无线技术集成一起的本发明的传感器作为一个基本关键单元，可用于构建大规模无线传感器网络。

作为海啸与地震警报系统的一部分，在目标深度的大海中大规模悬浮部署本发明的传感器可用于深海地震和海啸的监测。

附图说明

图1(A)：正常行走时可被专门设计的传感器检测的宿主身体与其重力方向的相对位方位示意图。

图1(B)：可被专门设计的传感器检测的跌倒时宿主身体与其重力方向相对方位示意图。

图2(A)：本发明的传感器的一种实施方案示意图。

图2(B)：图2(A)中所示传感器的磁通感应线圈218对宿主身体移动的输出电动势电压动态响应示意图。

图2(C)：图2(A)中所示传感器的电容器205对宿主身体移动的电容动态响应示意图。

图3：与图2(A)所示传感器类似但具有额外的顶部硬磁体的另一种传感器实施方案示意图。

图4(A)：本发明的传感器的一种实施方案示意图。

图4(B)：图4(A)中所示传感器的各向异性磁阻(AMR)感应器404俯视示意图。

图4(C)：图4(A) 中所示传感器的巨磁阻(GMR)感应器404俯视示意图。

图4(D)：图4(A) 中所示传感器的隧道磁阻(TMR)感应器404的横截面示意图。

图4(E)：沿图4(D)中 A-A’线所示隧道磁阻(TMR)感应器404的俯视示意图。

图5：与图4(A)所示传感器类似但具有额外的顶部硬磁体的另一种传感器实施方案示意图。

图6(A)：用本发明的传感器为单元，沿三个正交方向X，Y和Z构成的三传感器组件的前视图和俯视图。

图6(B)：图6(A)所示三传感器组件中一个传感器的典型时域输出信号示意图。

图6(C)：图6(A)所示三传感器组件中一个传感器相对于其重力方向的倾斜角与其平均输出电压之间的校准关系示意图。

图7：本发明中具有底部硬磁体的传感器的微制造晶片工艺流程示意图。

图8：一种利用传统机械加工将传感器组件与底部和顶部硬磁体组装一起的经济实惠的工艺方式示意图。

具体实施方式

具体实施方式在特定设计，应用和细节方面的描述能够让任何在本领域的技术人员制造和使用本发明。很明显，任何在本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可以根据本发明中的普适原理对本发明进行各种修改。因此，本发明不旨限于示出的实施例子，而应根据此处公开的原理，特征和技术的一致性赋予最宽范围的涵盖。

图1(A)和(B)给出了根据直接监测跌倒事件发生时宿主与当地重力方向之间的相对位置和方位的变化而检测跌倒是否发生的原理。宿主可以是任何我们需要关注其是否跌倒的任何物体，如人，机器人，或车辆等。宿主身体的取向一般采用宿主身体中心线为参考标准。不管跌倒过程的具体细节，只直接监测宿主跌倒前后身体取向与其重力方向之间相对方位的变化而判断跌倒是否发生是一种非常可靠的跌倒检测方法。

在此描述的特定场景中，宿主101是人，其脊柱105被作为宿主101身体取向的参考标准。图1(A)和 (B)分别描述了跌倒前后的。很明显，无论跌倒发生的细节如何，以及跌倒前后宿主运动的速度和加速度大小，其重力方向 104 不会发生而改变。但宿主身体取向105 与其重力方向 104 之间的相对取向，即 105 和 104 之间的夹角，在跌倒后已经改变。

如图1(A)和 (B)所示，本发明的传感器102被固定在人体腰部，其轴线方向103平行于该人体取向105而且在跌倒前后保持不变。传感器取向103相对于其重力方向104的方位改变代表宿主身体取向105 相对于其重力方向104的方位的变化。因此，忽略掉跌倒过程的具体细节，直接监测传感器取向103相对于其重力方向104的方位改变来检测跌倒事件是非常可靠的。

图2(A)为本发明的传感器一种设计实施例示意图。该传感器包括一个底部硬磁体201(可以是一层连续硬磁性薄膜，也可是一块硬磁铁)；一个可有可无的非磁性隔层202；在介电材料204内形成的中空管203；悬浮于中空管203内的含硬磁材料的悬浮体206，其表面覆盖的涂层209起降低其与中空管203侧壁之间的摩擦之用；中空管顶盖208以防止悬浮体206 逸出中空管203；和一对相向而对构成电容式感应器的电极205，其位于悬浮体206在中空管203 轴线217 与重力方向215平行时的竖直平衡位置。底部硬磁体201的磁化方向212与悬浮体206内的硬磁材料的磁化方向213平行且相反。如图2(A)所示，当中空管203 的轴线217与当地重力方向215平行时，悬浮体206由于底部硬磁体201对其提供的静磁斥力214 与其重力215相抗衡而导致其垂直悬浮于中空管203中。任何外部磁场引起的对传感器的干扰都被围绕传感器的软磁性层216 所屏蔽。

电极对205之间的电容正比于εA/d，其中A为两个电极正对的表面积，d为两个电极间的距离，而ε为两个电极间的介电材料的介电常数。填充于中空管 203 内介质 207可以是空气，气体，液体，或甚至真空。稳态下，含硬磁材料的悬浮体 206 在中空管 203 内的位置随中空管 203 轴线 217 与重力方向 215 的取向而改变。因此，稳态下电极对 205之间的电容也随中空管 203 轴线 217 与重力方向 215 的取向而变。当由于跌倒，振动，或倾斜等原因而造成含硬磁材料的悬浮体 206 的受力平衡被破坏，悬浮体 206 偏离其在中空管 203内的垂直平衡位置时，电极对 205 之间的电容将会因为它们之间的介电常数ε的变化而改变。电容式感应器的动态响应可以用来检测跌倒，倾斜，或振动。特别地，通过监测中空管 203的轴线 217 与其重力方向 215 的方位变化，电容式感应器可用于跌倒检测。沿中空管 203 外可设置多个电容式感应器来精确地监测悬浮体 206 在跌倒过程中从其在中空管 203 内的垂直平衡位置离开的位移，故，它们协同一起工作定义和鉴别跌倒过程。

选择有或没有软磁材料芯棒221的线圈218被用于探测由于含硬磁材料的悬浮体206的移动而导致的线圈218内的磁通变化。图2(A)给出了磁通量感应线圈218的一种布置方位。该线圈位于中空管203的左上端；其软磁材料芯棒221和线圈218的轴线都垂直于中空管203的轴线217。相对于中空管203，磁通量感应线圈218可放置于不同的位置，如安放在中空管203的顶端或右边。磁通感应线圈218也可沿中空管203而置于不同的高度。磁通感应线圈218内的磁通变化由含硬磁材料的悬浮体206在中空管203内位置的改变所确定；而磁通量的变化率则由悬浮体206的运动速度所决定。根据法拉第定律，线圈218两个输出端219和220间的输出电动势（EMF）电压与线圈内的磁通量变化率成正比。因此，悬浮体206在中空管203内的任何移动都会引起线圈的输出电动势电压的动态响应。

本发明的传感器作为跌倒传感器使用时，该传感器被紧紧地固定在宿主身上，其轴线217与图1中所示宿主身体取向方向105始终保持平行，在跌倒前后不会改变。如图2(B)和图2(C)所示，任何宿主身体的运动将分别导致线圈感应器218和电容式感应器 205的动态输出响应。如图2(B)所示，宿主身体跌倒开始时，由于加速度较大，线圈感应器 218的输出电动势(EMF)电压急剧越过预设的阈值电平(虚线)而显著增加。而在跌倒过程后期将结束时，该输出电动势电压会逐渐下降并回到预设的阈值水平以下。电容式感应器205具有两个不同的，分别相对于传感器重力而言的水平和垂直方向的，经过校准的稳状电容水平。如图2(C)所示，宿主身体跌倒后，电容式感应器205的电容从与重力方向平行的校准的垂直电容水平下降到与重力方向垂直的校准的水平电容水平。连续监测电容式感应器205的电容变化需要消耗电能，不是经济节能的工作模式。相反，作为一种经济节能的工作模式，该跌倒传感器连续监测线圈感应器 218 的动态输出。电容式感应器 205 仅在线圈感应器 218检测到跌倒事件行将结束时开始工作以确认判断是否有跌倒发生并已结束。这是一种最可靠的跌倒检测方法。

图2(A)所传感器的所有结构均可由成熟的半导体晶圆工艺和微机电系统(MEMS)制造技术大规模生产。因此，该传感器可低成本批量制造并小型化。

图3为本发明的与图2(A)所示传感器类似但具有额外的顶部硬磁体的另一种传感器实施例示意图。顶部硬磁体 301 的磁化方向302与图2(A)中底部硬磁铁 201 的磁化方向 212 相同，而它们都与图2(A)中中空管203内悬浮体 206 中硬磁体的磁化方向 213相反。静磁斥力303将含硬磁材料的悬浮体推离顶盖304以防含硬磁材料的悬浮体接触管的顶部以避免噪音的产生，并避免粘付于顶盖304上。此外，该设计提供了通过调整顶部硬磁体301的位置和/或强度来调节传感器灵敏度的控制方法。

图4(A)为本发明的传感器的一种实施例示意图。图4(A)所示的传感器的布局与图2(A)的非常类似。一个底部硬磁体401提供了作用于中空管403内含硬磁材料的悬浮体406 上，与其重力相平衡的静磁斥力。图2(A)所示的传感器利用线圈感应器 218 检测通过线圈的磁通量变化率。与图2（A）相比，图4(A)所示的传感器设计与图2(A)所示的相比，明显不同。在跌倒检测或其他应用中，固态磁场感应器404用于磁场强度的检测而不管磁场的变化，只要磁场变化低于预设的频率阈值(如GHz)，此阈值远高于所感兴趣的频率。一旦固态磁场感应器 404 与中空管403的相对位置固定下来，其测到的磁场强度与含硬磁材料的悬浮体406在中空管403内的精确位置密切相关。含硬磁材料的悬浮体406的任何移动都将改变被固态磁场感应器 404 检测的磁场强度。固态磁场感应器 404 可以是霍尔传感器，磁阻抗(MI)传感器，各向异性磁阻(AMR)传感器，巨磁阻(GMR)传感器，或隧道磁阻(TMR)传感器。中空管403 顶盖407 的顶部为霍尔效应磁场感应器 404 的最佳位置。图4(A)所示的传感器设计中，可供选择的磁导结构 402 收集由含硬磁材料的悬浮体406而来的磁通量以增强被固态磁场感应器 404 所检测的磁场强度。与图2(A)所示相同电极对 405 形成一个电容式感应器。在此设计中，电容式感应器405只是一个选项而不必须，因为单独的固态磁场感应器404能够完成与跌倒事件有关的所有检测。

本发明的传感器作为跌倒传感器使用时，该传感器被紧紧地固定在宿主身上。如图1所示，在跌倒前后该传感器的轴线408与如图1所示的宿主身体取向 105 始终保持平行。任何可能导致跌倒的宿主身体的运动都将改变周围的磁场强度，并被固态磁场感应器404检测到而产生振荡输出的动态响应。根据具体的检测算法，振荡输出的频率，振幅变化(峰-峰值)，或两者一起都可用于跌倒检测。固态磁场感应器404的动态输出从高于预设的阈值的水平变化到低于预设阈值的水平表示一起跌倒事件或一起可能会导致跌倒的行为已经结束。当固态磁场感应器404 检测到一起跌倒事件结束后，开启电容式感应器405确认是否真有一起跌倒事件发生并以结束。

实际上，当固态磁场感应器 404 可单独使用以检测判断是否确有一起跌倒事件发生并以结束。如上所述，固态磁场感应器 404 检测由中空管 403 内含硬磁材料的悬浮体 406的位置确定的磁场的强度。与电容式感应器 405 类似，固态磁场感应器 404 也具有两个不同的，分别相对于传感器重力而言的水平和垂直方向的，经过校准的稳状输出状态。在任何事件结束后，固态磁场感应器 404 的输出端都将有一个稳态输出。通过检查固态磁场感应器 404 的最终稳态输出值，可以相当容易地推断是否真有一起跌倒事件发生并以结束。

图4(B)到图4(E)描述了在图4(A)用作固态磁场感应器404 的三种类型磁阻传感器。

图4(B)为图4(A)中所示传感器的各向异性磁阻(AMR)感应器 404 俯视示意图。可供选择的磁导411把空中发散的磁通 415 集中到AMR传感器 410 中以提高其灵敏度。该AMR 传感器 410 由两根导线 413 和产生在两根导线 413 间流动的感测电流416(这里表示为虚线)的AMR传感器堆栈412组成。AMR传感器堆栈412磁性层的磁化方向(箭头414所指)，在不存在外部磁场的情况下，与感测电流416的方向有预先固定的夹角。由图4(A)中含硬磁材料的悬浮体406的运动引起的任何磁场变化，都将改变传感器堆栈 412 磁性层的磁化方向414 和感测电流416之间的夹角而导致AMR传感器410导线413之间输出电压的变化。因此，这里所描述的基于AMR的感应器能够检测图4(A)中含硬磁材料的悬浮体 406的移动以及它的最终位置。

图4(C)为图4(A)中所示传感器的巨磁阻(GMR)感应器404俯视示意图。可供选择的磁导421把空中发散的磁通425集中到 GMR 传感器420中以提高其灵敏度。GMR传感器420由两根引线423和产生在两根引线423间流动的感测电流 426(这里表示为虚线)的GMR传感器堆栈422组成。GMR 传感器堆栈420磁性层的磁化方向(箭头424所指)，在不存在外部磁场的情况下，与感测电流426的方向平行。由图4(A)中含硬磁材料的悬浮体406 的运动引起的任何磁场变化，都将改变传感器堆栈420磁性层的磁化方向424和感测电流426之间的夹角而导致GMR传感器420引线423之间输出电压的变化。因此，这里所描述的基于GMR 的感应器能够检测图4(A)中含硬磁材料的悬浮体406的移动以及它的最终位置。

图4(D)为图4(A)中所示传感器的隧道磁阻(TMR)感应器404的横截面示意图。可供选择的的磁导431与图4(A)的磁导402相同。TMR 传感器435由底部引线433，顶部引线432，和TMR堆栈434组成。

图4(E)为沿图4(D)中 A-A’线所示隧道磁阻(TMR)感应器 404 的俯视示意图。

可供选择的磁导443 把空中发散的磁通 444 集中到 TMR 传感器 445 中以提高其灵敏度。TMR 传感器 445 由 TMR 堆栈中的磁自由层 441 表示。如图4(D)所示，在顶部和底部引线 431 和 433 间流动的感测电流垂直于传感器的磁自由层 441。在没有外部磁场的情况下，TMR 传感器 445 的磁自由层 441 的取向 442 垂直于磁通量可能的来向。

由图4(A)中含硬磁材料的悬浮体 406 的运动引起的任何磁场变化，都将改变TMR堆栈中磁自由层 441 磁化方向而导致引线 432 与 433 之间输出电压的变化。因此，这里所描述的基于 TMR 的感应器能够检测图4(A)中含硬磁材料的悬浮体 406 的移动以及它的最终位置。

用TMR传感器作为图4(A)中的感应器404能大大提高本发明的传感器的灵敏度。TMR比可以高达～600％，类似于内置了一件大的放大器硬件。这里所提的超高灵敏度TMR传感器对检测极弱的表面振动，或如建筑墙体倾斜的非常小的倾斜角具有显著优势。它可作为基本单元构造一种新型声纳。

图5与图4(A)之间的关系非常类似于图3与至图2(A)之间的关系。图5 为与图4(A)所示传感器类似但具有额外的顶部硬磁体的另一种传感器实施方案示意图。顶部硬磁体501的磁化方向502与图4(A)中底部硬磁体401的磁化方向取向相同，而与图4(A)所示中空管403内悬浮体406中硬磁体的磁化方向相反。静磁斥力503将含硬磁材料的悬浮体推离顶盖504以防含硬磁材料的悬浮体接触管的顶部以避免噪音的产生，并避免粘付于顶盖504上。此外，该设计提供了通过调整顶部硬磁体501的位置和/或强度来调节传感器灵敏度的控制方法。

图6(A)给出了用本发明的传感器为单元，沿三个正交方向X，Y 和Z构成的三传感器组件的前视图和俯视图。所用传感器都来自于图2(A)，图3，图4(A)或图5的设计。传感器601，610和620 沿着三个正交的X，Y和Z方向分别组装，相互隔离以避免相互干扰。三个传感器的选择由具体的应用决定。

这种类型的传感器组件有许多的应用，如用于监测高层建筑物的倾斜，以及建筑物对当地风或地震在各个方向上的响应。图6(B)为图6(A)所示三传感器组件中一个传感器的典型时域输出信号示意图；而图6(C)给出了与其相应的倾斜角与输出信号的校准图示意图。从三个正交方向所获得的信号可用来监察高层建筑的状态，并检测其对当地风或地震在各个方向上的反应。基于此技术可以很容易且经济实惠地在高层建筑内建立一套传感器网络来监控其安全性，并设置对风暴或地震等的应急系统。

这种类型的传感器组件可用于运动训练。将许多这类传感器组件附着于运动员身上时，我们可以对运动员的训练表现进行实时监测和评估。

更进一步，对这类传感器组件所提供的动态信息进行分析可检测到各个方向的振动情况。因此，此技术可用于构造一种新类型的声纳以检测地震或海啸。

图7为本发明中如图2(A)和图4(A)中具有底部硬磁体的传感器的微制造晶片工艺流程示意图。本发明的传感器很容易利用成熟的半导体晶圆工艺和 MEMS 微制造技术批量制造，经济实惠。图7右边所示为不同的关键步骤的俯视图，左边为沿线B-B’线切开的横截面图。

首先，在晶片衬底701上制备具有垂直磁各向异性的底部硬磁体702。底部硬磁体702的材料可以是如CoCrPt，CoPt，CoZrCrPt 等溅射生成的合金薄膜，或如 Co/Cr，Co/Pt，Co/Pd 等溅射生成的多层薄膜结构，或如 CoPt，CoNiMnP，CoNiReP，CoNiP等在合适的种子上电镀而成的薄膜。底部硬磁体702可以是一个连续薄膜或如图7步骤1所示的有形结构。对于有形结构的底部硬磁体702，晶片表面必须为后续工艺进行重新平整。可以通过化学机械抛光 (CMP)工艺实现。通常，二氧化硅 (SiO₂)在晶片表面抛光时被用作回填介电材料703。

晶片衬底701材料可以是陶瓷片，玻璃晶片，塑料片，或正常的Si半导体晶片。通常情况下，晶片衬底701材料选用普通的半导体晶片衬底。首先在晶片衬底 701 上做好上述传感器专用的特定应用集成电路 (ASIC)和必须的电路连接点。在制造传感器之前，ASIC表面将沉积一层用诸如Ni，W，Ta205等材料形成的防扩散阻抑层以保护ASIC免受任何金属的污染。为了简单起见，这里将略去上层传感器与底部ASIC间的电连接讨论。对于熟悉半导体和MEMS晶片工艺的人而言，这相当容易做到。

在制成底部硬磁体702并平整化表面后，在底部硬磁体702上通过如薄膜沉积，光刻定型，和反应离子蚀刻(RIE)，或光刻定型，薄膜沉积，和光胶剥离等成熟的半导体/MEMS表面微加工工艺制备如图7步骤2所示的临时性特定形状的结构704。然后回填介电材料705掩埋结构 704，并通过CMP进行表面平整抛光。临时性特定形状结构704的材料将在后续工艺中采用溶液蚀刻法清除，只留下回填介电材料705形成传感器的中空管的第一段(底部)。溶液蚀刻不会侵蚀回填介电质材料705和底部硬磁体702。除非另有说明，在本专利说明书中，三氧化二铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)分别被用于溶液蚀刻清除材料和回填介电材料。

如图7步骤3所示，用三氧化二铝制成临时性的结构706并与临时性结构704对齐，然后沉积几百纳米至几甚至几十微米厚的二氧化硅材料707形成传感器的中空管的第二段。在二氧化硅材料707外通过光刻定型和电镀制备一对电极708构成电容式感应器。电容式感应器708由回填的二氧化硅保护并通过CMP 进行表面平整和抛光。

制成电容式感应器后，如图7步骤3所示，通过光刻定型和电镀在临时性结构706上制成含硬磁体的悬浮体结构709，并使之与结构704和706的中心线对齐。含硬磁体的悬浮体结构709由三氧化二铝材料710所包围；而传感器中空管的第三段由回填二氧化硅材料并通过CMP表面平整而形成。物理气相沉积法 PVD沉积的Co合金或电镀的CoPt可以用于制造悬浮体结构709所含的硬磁体，以确保，从磁性观点来看，它们的矫顽磁力Hc与底部硬磁体702的有显著差异。

如图7 步骤5所示，通过半导体/MEMS 微制造工艺制造感应器712，可供选择的的磁导713，和第四段临时性结构714。临时性结构714与它的底部构件709，706，和704 保持对准，并被回填的二氧化硅材料715掩埋，然后通过CMP进行表面平整和抛光。

如图7步骤6所示，被回填二氧化硅材料719掩埋的，建立在第四段临时性结构714上的临时性结构716 构成传感器中空管的最后一段。结构716 与 714 对齐。经表面平整后，在结构716 上生成另外的临时性结构717和临时性环形结构718。在回填二氧化硅材料720和CMP 平整之后，临时性结构717和718 将用于释放含硬磁体的悬浮体结构709。最后，如图7步骤7所示，通过NaOH 或KOH溶液溶解掉所有溶液蚀刻清除材料三氧化二铝而形成传感器中空管，并释放含硬磁体的悬浮体结构709。整个传感器被最后沉积在顶层的二氧化硅材料 721 密封。

对于图3和图5所示的传感器，需添加额外的步骤来制备传感器的顶部硬磁体(如图3中301和图5中501)。

传感器制造完成后，必须对之进行磁化对准已达到期望的磁化方向。先施加一个沿传感器中空管轴线的强磁场，将顶部硬磁体，底部硬磁体和悬浮体中的硬磁体的校准在同一磁化方向上。然后施加较弱的反向磁场来翻转矫顽磁力 (Hc)较弱的一个或多个磁体磁体的磁取向，而不会干扰矫顽磁力高得多的磁体的磁化方向，以达到悬浮体内的硬磁体和底部与顶部硬磁铁具有相反的磁化方向。

如图2(A)中201和在图4(A)中401所示的底部硬磁体和如图3中301和图5中501所示的顶部硬磁体可以从上述的微加工中分离开来，用传统机械加工制造。如图8所示，它们最后通过封装装配工艺与用上述晶圆工艺制成的传感器的关键部件组装起来形成本发明的微电子机械系统传感器。

图8给出了利用传统机械加工把本发明的传感器组件与底部和顶部硬磁体组装一起的经济实惠的工艺示意图。整个封装了的微电子机械系统传感器包括的底部包装架801，顶部包装架802和传感器主体803。底部包装架801包括主体804，非磁性底分离层805，底部硬磁体806，底部围护结构808，底凸出的配合连接器809，以及焊盘810。顶部的包装架802包括主体814，非磁性顶部分离层815，可选择的顶部硬磁体817，顶部封闭结构811，顶部凹下的对连接器812，和焊料焊盘813。从系统的可靠性和稳定性来看，软磁性材料为框架部件804，808，809，811，和814的首选材料，通过形成一个闭合的磁循环屏蔽掉外部磁场，使其远离传感器而进一步稳定内部磁结构。底部和顶部磁化方向807和816处在相同的方向，与传感器中空管中的悬浮体内的硬磁体的磁化方向相反。在图8中只显示了出有一对配合连接器和一对焊料垫。在真正的系统中，有多对配合连接器以及焊锡焊盘，以确保坚固的包装和闭合磁环路形成。

Claims (2)

1.一种微电子机械系统传感器的生产方法，其特征在于，涵括：

一根由介电材料所形成的细长中空管；

一块位于上述中空管内，横截面比上述中空管略小的含硬磁材料的悬浮体，其磁化方向平行于上述中空管轴向；

至少一块位于上述中空管底部硬磁体，其磁化方向与上述悬浮体内硬磁材料的磁化方向相反，提供与上述悬浮体重力相反的静磁力以维持上述悬浮体在上述中空管中的悬浮；

一个感应器，用于侦测由上述含硬磁材料的悬浮体在上述中空管内的移动而导致的磁通量变化，或者用于侦测由上述含硬磁材料的悬浮体在上述中空管内位置改变而导致的磁场强度变化；

所述的微电子机械系统传感器，借助于半导体晶片制造工艺和微电子机械系统的微加工技术，通过如下关键步骤实现大规模生产：

1）整平已有为所述传感器而设计的专用集成电路的衬底；

2）利用电镀或物理气相沉积制备具有垂直磁各向异性的所述底部硬磁体；

3）用蚀刻法清除可蚀刻材料而制备壁厚从几百纳米到几个或十几个微米的所述中空管，以容纳所述的含硬磁材料的悬浮体；

4）在临时可蚀刻材料中制备具有垂直磁各向异性的含硬磁材料的悬浮体，其硬磁材料有与所述的底部硬磁体不一样的磁矫顽力；上述悬浮体通过蚀刻去除临时可蚀刻材料而释放于所述的中空管中；

5）在所述中空管外制备所述的感应器；

6）利用均匀外磁场对所述传感器的每个关键磁性部件进行磁化，以获取设计期望的磁化方向；

7）切割所述衬底以获得单个所述的传感器；

步骤3）和步骤4）包括如下步骤：

在制成底部硬磁体并平整化表面后，在底部硬磁体上制备第一段临时性结构，然后回填介电材料掩埋第一段临时性结构，并通过化学机械抛光进行表面平整抛光；第一段临时性结构的材料将在后续工艺中采用溶液蚀刻法清除，只留下回填介电材料形成传感器的中空管的第一段；

用三氧化二铝制成第二段临时性结构并与第一段临时性结构对齐，然后沉积几百纳米至几甚至几十微米厚的二氧化硅材料形成传感器的中空管的第二段；在二氧化硅材料外通过光刻定型和电镀制备一对电极构成电容式感应器；电容式感应器由回填的二氧化硅保护并通过化学机械抛光进行表面平整和抛光；

制成电容式感应器后，通过光刻定型和电镀在第二段临时性结构上制成含硬磁体的悬浮体结构，并使之与第一段临时性结构和第二段临时性结构的中心线对齐；含硬磁体的悬浮体结构由三氧化二铝材料所包围；而传感器中空管的第三段由回填二氧化硅材料并通过化学机械抛光表面平整而形成；

通过半导体/微电子机械系统微制造工艺制造感应器、磁导和第四段临时性结构，第四段临时性结构与它的底部构件悬浮体结构，第二段临时性结构和第一段临时性结构保持对准，并被回填的二氧化硅材料掩埋，然后通过化学机械抛光进行表面平整和抛光；

被回填二氧化硅材料掩埋的，建立在第四段临时性结构上的第五段临时性结构构成传感器中空管的最后一段；第五段临时性结构与第四段临时性结构对齐，经表面平整后，在第五段临时性结构上生成另外的第六段临时性结构和第七段临时性环形结构；在回填二氧化硅材料和化学机械抛光平整之后，第六段临时性结构和第七段临时性环形结构将用于释放含硬磁体的悬浮体结构；

最后，通过NaOH 或KOH溶液溶解掉所有溶液蚀刻清除材料三氧化二铝而形成传感器中空管，并释放含硬磁体的悬浮体结构，整个传感器被最后沉积在顶层的二氧化硅材料密封。

2.根据权利要求1所述的微电子机械系统传感器的生产方法，其特征在于，所述的衬底是一种半导体衬底。

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