CN113567898B - 一种磁阻运动调制的低频mems磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器，属于磁场检测领域，解决了现有MEMS磁阻传感器两侧磁通汇聚器运动不同步导致的噪声增加而使得检测精度降低的技术问题。本申请传感器包括：磁阻传感器MTJ、磁通汇聚器、压电悬臂梁，第一衬底；第一衬底上设置有与压电悬臂梁尺寸相适应的通孔，压电悬臂梁设置于通孔中，压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底固定连接；磁阻传感器MTJ放置在压电悬臂梁悬空端之上，通过悬臂梁带动磁阻传感器MTJ沿着通孔的轴向作简谐振动；磁通汇聚器设置在第一衬底上，且对称放置在磁阻传感器MTJ两侧。通过悬臂梁振动避免了磁通汇聚器运动不同步的问题，提高了磁场检测分辨率，能够广泛应用于低频弱磁场的检测。

Description

一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器

技术领域

本发明涉及磁场检测领域，尤其涉及一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器。

背景技术

磁阻传感器由于小体积，低功耗和高灵敏度在工业传感，军事对抗，数据存储和生物医学等领域得到了广泛应用，然而其在测量低频弱磁场时受到1/f噪声的影响，严重限制了其低频弱磁场的检测分辨率。为了减小1/f噪声的影响，提高分辨率，利用微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)技术驱动磁通汇聚器运动，将磁阻传感器检测区域的低频弱磁场调制到高频区域(大于10kHz)，使得检测分辨率比低频高三个数量级。

现有的MEMS磁阻传感器是利用MEMS谐振器的运动带动磁通汇聚器运动，对磁通汇聚器中间的磁通密度进行高频调制，通过固定放置的磁阻传感器检测高频磁场，并配合相应的接口电路读取磁场信号。例如美国陆军实验室提出的变间隙和扭转调制，我国国防科技大学提出的垂直运动调制和伊比利亚国际纳米实验室提出的悬臂梁调制。这些调制方式都是通过改变磁通汇聚器的运动形式实现低频磁场的高频调制，从而抑制1/f噪声以提高低频磁场检测分辨率。在现有的这些MEMS磁阻传感器中，都是磁通汇聚器运动，磁阻传感器固定放置，存在的最大的问题就是难以保持两侧的磁通汇聚器的运动同步。例如美国陆军实验室设计的梳齿驱动磁通汇聚器运动的MEMS磁阻传感器，如图1所示，在固定的磁阻传感器两边是两个由梳齿横向驱动的磁通汇聚器，只有当两个谐振器同步谐振时，调制的交流磁场才是一个频率和谐振器频率相同的信号。一旦不能同步，那么调制后的磁场将是频谱非常丰富的信号，其无法通过接口电路和信号处理解读出正确的磁场信号。那么不但不能抑制1/f噪声，反而增加了噪声。此外，这类结构普遍工艺比较复杂，对工艺容差的一致性要求较高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器及其制作方法，用以解决现有MEMS磁阻传感器两侧磁通汇聚器运动不同步导致的噪声增加而使得检测精度降低的技术问题。

一方面，本发明实施例提供了一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器，所述MEMS磁阻传感器包括：磁阻传感器MTJ、磁通汇聚器、压电悬臂梁，第一衬底；

第一衬底上设置有与压电悬臂梁尺寸相适应的通孔，所述压电悬臂梁设置于所述通孔中，所述压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底固定连接；

所述磁阻传感器MTJ放置在压电悬臂梁悬空端之上，通过所述压电悬臂梁带动所述磁阻传感器MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动；

磁通汇聚器设置在第一衬底上，且对称放置在磁阻传感器MTJ两侧。

进一步，所述压电悬臂梁为叠层结构，包括从下至上依次设置的第二衬底、第一绝缘层、压电层，磁阻传感器MTJ埋设在压电悬臂梁悬空端处的第一绝缘层之中，并漏出电极窗口，压电层位于第一绝缘层上未埋设磁阻传感器MTJ的位置，并使压电层与磁阻传感器MTJ间隔一定的距离。

进一步，所述第一衬底为SOI基底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层，所述第二衬底为通过去除所述第一衬底底层的Si层和埋氧层而形成，所述第一衬底中的Si层与第二衬底中的Si层为一体结构。

进一步，第一衬底上与悬臂梁连接处还设置有第二绝缘层，第二绝缘层与第一绝缘层为一体结构，并且第一绝缘层与第二绝缘层形成T字型，所述第二绝缘层上设置有压电层的电极窗口。

进一步，所述MEMS磁阻传感器还包括电极层，所述电极层包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极、MTJ信号传输线以及MTJ信号接口电极，所述MTJ信号检测电极位于磁阻传感器MTJ电极窗口中，通过磁阻传感器MTJ的电极接口与磁阻传感器电连接；MTJ信号传输线位于第一绝缘层之上未设置压电层的区域，MTJ信号接口电极设置于第二绝缘层之上；

所述压电驱动电极包括驱动电极、检测电极、压电驱动接口电极以及接地电极，驱动电极、检测电极均与压电驱动接口电极连接，驱动电极和检测电极位于压电层上，压电驱动接口电极位于第二绝缘层之上；接地电极设置在第二绝缘层上的压电层电极窗口中，直接与第一衬底相连。

进一步，压电层材料为氧化锌，厚度为500-1000nm。

进一步，磁通汇聚器由镀制在第一衬底上的高磁导率材料形成，厚度为0.5-10μm；两个磁通汇聚器以磁阻传感器MTJ为中心对称布置，两个磁通汇聚器之间的距离大于悬臂梁的宽度；磁通汇聚器上还设置有第三绝缘层。

进一步，磁通汇聚器为喇叭形，喇叭形的窄端靠近磁阻传感器MTJ，喇叭形的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。

进一步，第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层材料均为SiO2，厚度为200-500nm。

进一步，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，从下至上依次为：钽金属层、钌金属层、镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层、氧化镁层、钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层、钽金属层、钌金属层。

另一方面，本发明还提供了一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器的制作方法，该方法包括如下步骤：

在衬底上形成T型绝缘层A；

在T型绝缘层A的纵向部分顶端处形成磁阻传感器MTJ；

在衬底上形成磁通汇聚器，磁通汇聚器对称设置在磁阻传感器MTJ两侧；

在磁阻传感器MTJ以及绝缘层A上覆盖一层绝缘层B，绝缘层B也为T型；在磁通汇聚器上覆盖一层绝缘层C；

在绝缘层B的纵向部分上形成压电层，所述压电层位于绝缘层B纵向部分上未埋设磁阻传感器MTJ的位置；

刻蚀绝缘层B，露出磁阻传感器MTJ和压电层的电极窗口；

在所述电极窗口、压电层以及绝缘层B上形成电极层；

刻蚀衬底，使得绝缘层A纵向部分所在的衬底悬空，形成压电悬臂梁，以使所述压电悬臂梁能够沿着衬底的法向作周期简谐振动。

进一步，所述MTJ为叠层结构，MTJ叠层结构从下至上依次包括：底电极、自由层、势垒层、钉扎层、顶电极；所述底电极和顶电极包括从下至上依次设置的钽金属层、钌金属层，自由层包括从下至上依次设置的镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层，势垒层为氧化镁层；钉扎层包括从下至上依次设置的钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层。

进一步，所述形成磁阻传感器MTJ包括：

S11、采用磁控溅射方法在绝缘层A上形成MTJ各层膜结构；

S12、对MTJ各层膜结构进行图形化，形成MTJ轮廓；

S13、采用离子束刻蚀方法从上至下刻蚀MTJ各层膜结构直至露出底电极。

进一步，绝缘层A采用热氧化方法制成，绝缘层B和绝缘层C采用等离子体化学气相沉积(PECVD)方法制成，绝缘层A、B、C的材质均为SiO2，厚度均为100-250nm。

进一步，在绝缘层B的纵向部分上形成压电层包括：

S51、在绝缘层B上涂覆一层光刻胶；

S52、采用掩膜板对光刻胶进行曝光、显影，形成图案；

S53、采用磁控溅射工艺在光刻胶图案上沉积压电材料；

S54、对光刻胶进行溶解、剥离形成压电层。

所述压电材料为ZnO，厚度为500-1000nm，压电层宽度小于绝缘层B的宽度。

进一步，所述在所述电极窗口、压电层以及绝缘层B上形成电极层包括：

S71、在电极窗口、压电层以及绝缘层B上涂覆一层光刻胶；

S72、利用掩膜板对光刻胶进行曝光、显影，形成电极图案；

S73、在光刻胶形成的电极图案上采用磁控溅射方法依次沉积第一金属层、第二金属层；

S74、对光刻胶进行溶解、剥离形成电极层；

所述第一金属层为铬Cr，第二金属层为金Au或铂Pt。

进一步，所述电极层包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极、MTJ信号传输线以及MTJ信号接口电极，所述MTJ信号检测电极位于磁阻传感器MTJ的电极窗口中，并与磁阻传感器MTJ电连接；MTJ信号传输线位于绝缘层B的纵向部分之上未设置压电层的区域，MTJ信号接口电极设置于绝缘层B的横向区域之上；

所述压电驱动电极包括驱动电极、检测电极、压电驱动接口电极以及接地电极，驱动电极、检测电极均与压电驱动接口电极连接，驱动电极和检测电极位于压电层上，压电驱动接口电极位于绝缘层B的横向区域之上；接地电极设置在压电层的电极窗口中，直接与衬底相连；所述压电层的电极窗口位于绝缘层B的横向部分。

进一步，所述衬底为SOI衬底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层；

所述刻蚀衬底，使得T型绝缘层A纵向部分所在的衬底悬空，形成压电悬臂梁，包括：

S81、在已制备好各层结构的衬底正面涂覆光刻胶；

S82、采用掩膜板对光刻胶进行曝光、显影，形成刻蚀图案；

S83、以光刻胶作为掩膜，采用深反应离子刻蚀方法刻蚀正面的Si层；

S84、在衬底背面涂覆光刻胶，并用掩膜板对光刻胶进行曝光、显影，形成刻蚀图案；

S85、以光刻胶作为掩膜，采用深反应离子刻蚀方法刻蚀背部的Si层，采用反应离子刻蚀方法刻蚀埋氧层，使得绝缘层A纵向部分所在衬底悬空，形成压电悬臂梁。

进一步，磁通汇聚器选用高磁导率材料制成，厚度为0.5-10μm。

进一步，所述在衬底上形成磁通汇聚器包括：

S31、在衬底上涂覆一层光刻胶；

S32、采用掩膜板对光刻胶进行曝光、显影，形成图案；

S33、采用磁控溅射工艺在光刻胶图案上沉积高磁导率材料；

S34、对光刻胶进行溶解、剥离形成磁通汇聚器；

所述磁通汇聚器为喇叭形，喇叭形磁通汇聚器的窄端靠近磁阻传感器MTJ，喇叭形磁通汇聚器的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm；所述高磁导率材料优选镍铁合金。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、相比于现有磁通汇聚器运动、磁阻传感器固定的情形，本发明通过压电悬臂梁带动磁阻传感器MTJ运动，不存在运动不同步的问题，并且能够很好的将直流磁场调制到高频区域抑制1/f噪声，因此能够大幅提高磁场检测分辨率。

2、本申请中由于磁通汇聚器固定不动，所以其尺寸在器件允许范围内尽可能的大，从而尽可能的获得最大的磁场放大倍数，提高磁场检测分辨率。

3、本申请设计的传感器，由于仅有一个悬臂梁运动，因此制备工艺简单，对工艺容差的一致性要求较低。

4、本申请将MTJ制作流程与悬臂梁谐振器制作流程整合在一起，简化了制作步骤，提高了制作成功率。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有的MEMS磁阻传感器示意图。

图2为本申请一个实施例中的MEMS磁阻传感器整体结构示意图。

图3为压电悬臂梁主视图；

图4为压电悬臂梁去除最上层的电极露出磁阻传感器的示意图；

图5为沿A-A’轴线压电悬臂梁横截面示意图；

图6为压电悬臂梁位移与调制磁场的变化波形示意图；

图7为MEMS磁阻传感器制作中使用的掩膜板；

图8为MEMS磁阻传感器制作方法流程图；

图9为MTJ叠层结构示意图；

图10为磁通汇聚器制作过程示意图；

图11为采用磁控溅射剥离工艺制备的磁通汇聚器示意图；

图12为刻蚀形成悬臂梁的过程示意图；

图13为两次退火磁场方向示意图；

附图标记：

10-磁阻传感器MTJ；20-磁通汇聚器；30-压电悬臂梁；40-第一衬底；50第二绝缘层；301-第二衬底；302-第一绝缘层；303-压电层；

611-MTJ信号检测电极；612-MTJ信号传输线；613-MTJ信号接口电极；621-驱动电极；622检测电极；623压电驱动接口电极；624接地电极。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器，如图2所示，所述MEMS磁阻传感器包括：磁阻传感器MTJ10、磁通汇聚器20、压电悬臂梁30，第一衬底40；第一衬底40上设置有与压电悬臂梁30尺寸相适应的通孔，所述压电悬臂梁30设置于所述通孔中，所述压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底40固定连接；

所述磁阻传感器MTJ10放置在压电悬臂梁30悬空端之上，通过所述压电悬臂梁30带动所述磁阻传感器MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动。

磁通汇聚器20设置在第一衬底40上，且对称放置在磁阻传感器MTJ10两侧。

为防止悬臂梁中压电层被击穿和磁阻传感器MTJ氧化，在压电悬臂梁30中设置了第一绝缘层302，优选的，所述压电悬臂梁30为叠层结构，参考图3-图5，图3为压电悬臂梁主视图，图4为去除最上层的电极露出磁阻传感器的压电悬臂梁结构示意图，图5为沿A-A’轴线压电悬臂梁横截面示意图；所述叠层结构包括从下至上依次设置的第二衬底301、第一绝缘层302、压电层303，磁阻传感器MTJ10埋设在压电悬臂梁30悬空端处的第一绝缘层中并漏出电极窗口，压电层303位于第一绝缘层302上未埋设磁阻传感器MTJ10的位置，并使压电层303与磁阻传感器MTJ10间隔一定的距离，具体的间距可以设置为20um，以避免对磁阻传感器MTJ造成影响，防止MTJ的检测电极与压电层的电极靠的太近引起电学干扰。

优选的，所述第一衬底为SOI基底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层，所述第二衬底为通过去除所述第一衬底底层的Si层和埋氧层而形成，所述第一衬底中的Si层与第二衬底中的Si层为一体结构；即整个MEMS磁阻传感器是在SOI基底上完成的；

选取的SOI的参数如下:SOI基底Si层300um，埋氧层0.5um，上部Si层10um，晶向<100>，P型掺杂，双面抛光，Si层电阻率0.001-0.005ohm*cm，基底电阻率0.01-0.05ohm*cm。

第一衬底40上与悬臂梁30连接处还设置有第二绝缘层50，第二绝缘层50与第一绝缘层302为一体结构，并且第一绝缘层302与第二绝缘层50形成T字型，第一绝缘层302为T字的纵向部分，第二绝缘层50为T字的横向部分。所述第二绝缘层上设置有压电层的电极窗口。

优选的，第一绝缘层、第二绝缘层材料为SiO2，厚度为200-500nm。

优选的，压电层材料为氧化锌，厚度为500-1000nm。

为实现磁阻传感器MTJ的信号检测输出以及压电层的驱动，本申请MEMS磁阻传感器中还设置了电极层，电极层包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极611、MTJ信号传输线612以及MTJ信号接口电极613，所述MTJ信号检测电极611位于磁阻传感器MTJ10的电极窗口中，与磁阻传感器MTJ电连接；MTJ信号传输线612位于第二绝缘层302之上未设置压电层303的区域，MTJ信号接口电极613设置于第二绝缘层50之上；

所述MTJ信号接口电极613包括正、负电流接口电极，正、负电压接口电极。电源以电流信号的形式通过正、负电流接口电极、MTJ信号传输线612输入到磁阻传感器MTJ10中，磁阻传感器MTJ10测量得到的电压信号通过MTJ信号检测电极611、MTJ信号传输线612传输至正、负电压接口电极，通过该正、负电压接口电极将测量得到的电压信号向外部信号处理电路输出。

所述压电驱动电极包括驱动电极621、检测电极622、压电驱动接口电极623以及接地电极624，驱动电极621、检测电极622均与压电驱动接口电极623连接，驱动电极621和检测电极622位于压电层303上，压电驱动接口电极623位于第二绝缘层50之上；接地电极624设置在第二绝缘层50上的压电层电极接口中，直接与第一衬底SOI的上部Si层(器件层)相连通，作为电学的地。

所述压电驱动接口电极623包括驱动接口电极D、检测接口电极S，所述驱动接口电极D与驱动电极621连接、检测接口电极S与检测电极622连接。驱动信号通过驱动接口电极D传输至驱动电极621中，驱动电极621进一步将驱动信号传输至压电层302，在驱动信号的作用下压电层作简谐振动，进而带动整个悬臂梁振动，悬臂梁带动磁阻传感器振动。检测电极622检测压电层的振动信号，并将该振动信号传输至检测接口电极S，通过检测接口电极S将振动信号反馈给外部信号处理电路。

具体的，上述各个电极、信号传输线均采用金属材料制成，该金属材料可以为铂Pt、金Au，因为它们的化学性质非常稳定，几乎不和常规的化学物品反应。特别需要注意的是，在溅射导电材料之前，需要先溅射铬(Cr)用作黏附层，否则在剥离时，溅射的金或铂会脱落。

因此，本实施例中优选的电极材料为30nm/200nm的Cr/Au或Cr/Pt。

优选的，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，从下至上依次为：钽金属层、钌金属层、镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层、氧化镁层、钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层、钽金属层、钌金属层。所述磁阻传感器各层厚度从下至上依次为：Ta(5nm)/Ru(10nm)/NiFe(70nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(3nm)/MgO(1.6nm)/Co FeB(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(5nm)/IrMn(10nm)/Ta(5nm)/Ru(30nm)。

优选的，磁通汇聚器由镀制在第一衬底上的高磁导率材料形成，厚度为0.5um-10um；所述高磁导率材料可以是坡莫合金或镍铁合金；

两个磁通汇聚器以磁阻传感器MTJ为中心对称布置，两个磁通汇聚器之间的距离大于悬臂梁的宽度；

优选的，磁通汇聚器为喇叭形，喇叭形的窄端靠近磁阻传感器MTJ，喇叭形的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。

为防止磁通汇聚器被氧化，优选的，磁通汇聚器上还设置有第三绝缘层。

具体的，第三绝缘层为SiO，厚度为200-500nm。

该MEMS磁阻传感器的基本工作原理是待测磁场被磁通汇聚器汇聚放大，位于压电悬臂梁末端的磁阻传感器MTJ随着压电悬臂梁一起高频周期运动，由于两磁通汇聚器间隙处的磁场强度不均匀，磁阻传感器MTJ将检测到一个周期变化的交变磁场，然后通过相应的接口电极输出对应的交变电压。

相比于前人提出的磁通汇聚器运动，磁阻传感器固定的情况，本专利发明的MEMS磁阻传感器由于只有磁阻传感器运动，所以不存在像磁通汇聚器那样需要两边同步运动的问题。另一方面，由于磁通汇聚器的面积越大，对磁场的放大倍数越大，所以一旦固定磁通汇聚器，则其尺寸在版图允许范围内可以尽可能的大，从而尽可能的获得最大的磁场放大倍数。而对于运动的磁通汇聚器，由于要满足调制频率处于高频区域，根据谐振频率与质量成反比的关系：

其中f_r,k,m分别是谐振器的谐振频率、支撑谐振器的梁的刚度系数、谐振器的质量。要使得频率达到一定的范围(例如大于10kHz)，则磁通汇聚器的尺寸就不能任意的大，那么相应的对磁场的放大倍数将受到限制，且往往较小。

当使用该传感器测量外界直流磁场B₀时，假设磁通汇聚器对间隙中心的磁场的放大倍数为G，初始静止状态时磁阻传感器检测的磁场则为B₀·G。当长度为L的压电悬臂梁谐振器以频率f，振幅x做高频振荡时，尖端的振荡角度计为θ，则根据几何关系有θ＝4x/3L，当悬臂梁正弦振荡时，即

θ＝θ₀sin(2πft) (2)

其中θ₀为最大的振荡角度。由于磁阻传感器位于压电悬臂梁的末端，所以在其上下振动时，其检测磁场可表示为

将(2)带入到(3)中，则检测磁场可表示为如下形式：

则其可以分成直流分量和交流分量

从(6)可知，直流磁场将被调制成高频交流磁场，且其频率是两倍的谐振器的谐振频率，如图3所示。调制效率(η)通常定义为交流分量与直流分量的比值，所以该传感器的调制效率为

从(7)可知，压电谐振器的振动位移(角度)越大，调制效率越高。

实施例2

本发明的另一个实施例，提供了一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器的制作方法，制作过程中所用到的掩膜板如图7所示，如图8所示为具体的制作方法，该方法包括如下步骤：

S1、在衬底上形成T型绝缘层A；

具体的，步骤S1具体包括如下内容：

S11、选取衬底；

衬底是后续所有加工工艺的载体，对后续工艺和器件性能有着直接的影响。因此，选择合适的衬底是保证制作成功和获得高性能器件的必要条件。根据器件的结构特性和制备工艺，以及后续镀膜质量的要求，衬底材料的选择需考虑的因素有：(1)衬底两表面应光滑，致密，不易碎，且有合适的硬度，防止大的形变翘曲和便于实验后期的裂片处理；(2)衬底应保证能够刻蚀得到确定厚度的悬臂梁；(3)衬底材料本身不具备磁性，避免在后期对样品形成磁场干扰；(4)衬底应具有稳定的化学性质，避免在生长和光刻过程中与所接触的元素发生化学反应；(5)衬底应具有良好的热学性能，避免在后期退火过程中发生形变；(6)衬底应具有良好的导电性能，作为整个器件的底电极参与导电。综合上述因素，本申请所用衬底为SOI单晶硅片，基底Si层厚度为300μm，埋氧层0.5um，顶部Si层(器件层)10um，晶向<100>，P型掺杂，双面抛光，顶部Si层电阻率0.001-0.005ohm*cm，基底Si层电阻率0.01-0.05ohm*cm。

S12、在衬底上形成T型绝缘层A；

优选的，绝缘层A的材料为SiO2。

为了溅射高质量的MTJ磁性薄膜，通常需要在制作MTJ薄膜之前生长SiO2绝缘层。SiO2晶格常数与MTJ薄膜的晶格常数相近，能够增强薄膜在基片上的附着力，避免在清洗或光刻过程中脱落。同时，SiO2具有良好的化学稳定性和电绝缘性，在集成电路中通常用作离子注入的屏蔽层、扩散的掩蔽层、栅氧化层，牺牲层和隔离层。

具体的，可以采用如下方法制备SiO2绝缘层：热分解沉积、溅射、真空蒸发、阳极氧化法、化学气相沉积、热氧化。

由于热氧化方法制备的SiO2质量最好，因此在一个优选的实施方式中，采用热氧化方法制备SiO2绝缘层。

具体的，可以采用氧化炉热氧化方法生长100-250nm厚度的SiO2作为绝缘层A。绝缘层A能够很好的将MTJ与压电悬臂梁隔离开，防止MTJ的测量信号与压电悬臂梁的电学信号相互影响。

S2、在T型绝缘层A的纵向部分顶端处形成磁阻传感器MTJ；

具体的，步骤S2包括如下步骤：

S21、采用磁控溅射方法在绝缘层A上形成MTJ各层膜结构；

具体的，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，如图9所示，MTJ叠层结构从下至上依次包括：底电极、自由层、势垒层、钉扎层、顶电极；所述底电极和顶电极包括从下至上依次设置的钽金属层、钌金属层，自由层包括从下至上依次设置的镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层，势垒层包括氧化镁层；钉扎层包括从下至上依次设置的钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层。

薄膜的生长制备方法主要有蒸发、磁控溅射、离子镀、化学气相淀积(CVD)、液相外延和化学溶液镀膜。与其他镀膜方法相比，磁控溅射具有以下优点：(1)薄膜的沉积速度快，对基片的温度要求较低；(2)溅射初期薄膜的成核密度高，可制备厚度在10nm以下的极薄连续薄膜；(3)可通过调整溅射时长精确控制薄膜厚度；(4)溅射薄膜与基片的附着力强，是蒸发镀膜的十倍以上；(5)镀膜范围广，几乎所有可制成靶材的材料都能溅射成薄膜，包括各种金属、半导体、铁磁材料以及氧化物和陶瓷等物质，尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜；(6)可对多种材料进行混合溅射，利用多元靶材共溅射方式，或在溅射腔中通入活性气体，沉积不同组分的化合物薄膜；(7)溅射工艺的可重复性强，通过控制溅射腔内的压强和溅射功率，可控制薄膜的沉积速率和粗糙度；(8)可实现工业化大批量生产。基于上述优点，优选磁控溅射方法制备MTJ叠层结构。

具体的，磁控溅射仪器采用爱发科生产的4腔室、12靶位的真空磁控溅射仪，保证了不同靶材的连续镀膜。在镀膜之前，首先对不同靶材的溅射速率进行标定，然后根据预期的薄膜厚度计算所需的溅射时间，最后通过编写相应的程序即可完成多层膜的连续溅射，各层膜的溅射速率与溅射时间如表1所示，溅射145nm厚的MTJ多层膜大约需要50分钟。

表1

S22、对MTJ各层膜结构进行图形化，形成MTJ轮廓；

由于MTJ各层膜结构材料主要为金属且成分丰富，因此选用离子束刻蚀方法这种不具有选择性的通用刻蚀方式。同时，正是由于离子束刻蚀方法不具有选择性，所以优选具有终端检测功能的离子束刻蚀设备，能够实时监测刻蚀的深度。

具体的，形成MTJ轮廓的方法包括：

S221、在MTJ各层膜结构上涂覆一层光刻胶；

S222、利用掩膜板对光刻胶进行曝光、显影，形成刻蚀图案；

具体的，采用的掩膜版为图7中的Mask1；

S223、将光刻胶作为掩膜，对MTJ各层膜结构进行离子束刻蚀，形成MTJ轮廓。

优选的，刻蚀装置为具有终端检测功能的离子束刻蚀装置，例如可以采用IBE150离子束刻蚀机。

S23、采用离子束刻蚀方法从上至下刻蚀MTJ各层膜结构直至露出底电极。

该步骤与步骤S22步骤相同，只是采用的掩膜板为Mask2，并且在刻蚀过程中需要实时监测刻蚀厚度，露出底电极即停止刻蚀。

S3、在衬底上形成磁通汇聚器，磁通汇聚器对称设置在磁阻传感器MTJ两侧；

通常制备磁通汇聚器的方法有电镀和溅射剥离两种，受限于没有成熟的电镀设备，所以本实施例中采用的是磁控溅射剥离工艺制备。使用磁控溅射的缺点是镀膜速度慢，薄膜薄，但是得到的质量好。剥离是相比于刻蚀更简单的一种图形转移工艺，其基本原理是利用光刻胶作牺牲层，当薄膜沉积在光刻图案上时，使用丙酮将光刻胶溶解，从而使得没有光刻胶覆盖区域留下薄膜，从而达到与刻蚀相同的效果。具体的，参考图10，形成磁通汇聚器的方法包括如下步骤，

S31、在衬底上涂覆一层光刻胶；

S32、采用掩膜板Mask3对光刻胶进行曝光、显影，形成图案；

S33、采用磁控溅射工艺在光刻胶图案上沉积高磁导率材料；

优选的，所述高磁导率材料为镍铁合金或坡莫合金；

S34、对光刻胶进行溶解、剥离形成磁通汇聚器。

具体的，可以采用丙酮对光刻胶进行溶解，本申请涉及到溶解光刻胶时均可以采用与本步骤中相同的方式；光刻胶溶解后，其上覆盖的高磁导率材料也随之从衬底上剥离，因此直接镀制在衬底上的高磁导率材料保留，形成具有一定形状的磁通汇聚器，如图11所示，为通过磁控溅射剥离工艺得到的磁通汇聚器。

为实现较好的磁场放大效果，优选的，磁通汇聚器设置为喇叭形，喇叭形磁通汇聚器的窄端靠近磁阻传感器MTJ，喇叭形磁通汇聚器的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。

S4、在磁阻传感器MTJ以及绝缘层A上覆盖一层绝缘层B，绝缘层B也为T型；在磁通汇聚器上覆盖一层绝缘层C；

为了防止MTJ和磁通汇聚器被氧化，以及在后续工艺中被损坏，需要在其上面制备绝缘层，该层薄膜不仅可以保护MTJ和磁通汇聚器，同时可以将磁敏感部分和MEMS谐振器部分进行隔离，从而使得MTJ的信号传输和MEMS压电谐振器的信号传输不相互影响。

由于MTJ和磁通汇聚器这些磁性材料不能承受高温，所以此处的二氧化硅不能再采用制备绝缘层A时采用的热氧化方法，而是采用低温的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备。

优选的，绝缘层B、C的材料为SiO2；

优选的，制备出的绝缘层B、C的厚度为150-250nm。

S5、在绝缘层B的纵向部分上形成压电层，所述压电层位于绝缘层B纵向部分上未埋设磁阻传感器MTJ的位置；

制备压电层的方法与制备磁通汇聚器的方法类似，也采用磁控溅射剥离工艺，具体方法为：

S51、在绝缘层B上涂覆一层光刻胶；

S52、采用掩膜板Mask5对光刻胶进行曝光、显影，形成图案；

S53、采用磁控溅射工艺在光刻胶图案上沉积压电材料；

优选的，所述压电材料为ZnO；

S54、对光刻胶进行溶解、剥离形成压电层。

最终形成的压电层厚度为200-1000nm，且压电层宽度小于绝缘层B的宽度，以使绝缘层B的两侧能够容纳MTJ信号检测输出电极中的信号传输线。

S6、刻蚀绝缘层B，露出磁阻传感器MTJ和压电层的电极窗口；

由于需要将MTJ引出电极线进行测试，以及露出SOI上部Si层(器件层)作为底电极，所以需要刻蚀SiO2进行开窗，用于溅射金属电极。

反应离子刻蚀(Reaction Ion Etch,RIE)不但有物理轰击也存在化学反应，同时兼具各向异性和选择性好的优点，特别适合在不同介质上面的SiO2薄膜刻蚀。因此优选反应离子刻蚀方法对绝缘层B进行刻蚀。

具体的，采用的CHF3作为SiO2的刻蚀气体，刻蚀中采用的掩膜版为Mask4，最终，在绝缘层B上与磁阻传感器MTJ相应的位置处SiO2层被刻蚀掉，形成MTJ对外的电极窗口；在绝缘层B的横向区域上与压电层接地电极相应的位置处SiO2层被刻蚀掉，形成压电层的接地电极窗口。

S7、在所述电极窗口、压电层以及绝缘层B上形成电极层；

为了保证电极的质量，优选致密性和粘附性最好的磁控溅射方法。

通常用到的电极材料为金(Au)和铂(Pt),因为它们的化学性质非常稳定，几乎不和常规的化学物品反应。特别需要注意的是，在溅射导电材料之前，需要先溅射铬(Cr)用作黏附层，否则在剥离时，溅射的金或铂会脱落。

因此，本实施例中优选的电极材料为30nm/200nm的Cr/Au或Cr/Pt。一般来说，电极的制备无一另外都是采用剥离工艺而不用刻蚀，所以本实施例的电极层也是采用剥离制备的。

具体的制备方法如下：

S71、在电极窗口、压电层以及绝缘层B上涂覆一层光刻胶；

S72、利用掩膜板Mask6对光刻胶进行曝光、显影，形成电极层图案；

S73、在光刻胶形成的电极层图案上采用磁控溅射方法依次沉积30nm厚度的Cr层、200nm厚度的Au层；

S74、对光刻胶进行溶解、剥离形成电极层。

具体的，最终形成的电极层包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极、MTJ信号传输线以及MTJ信号接口电极，所述MTJ信号检测电极镀制在磁阻传感器MTJ的电极窗口中，并与磁阻传感器MTJ电连接；MTJ信号传输线镀制在绝缘层B的纵向部分之上未设置压电层的区域，MTJ信号接口电极设置于绝缘层B的横向区域之上；

所述压电驱动电极包括驱动电极、检测电极、压电驱动接口电极以及接地电极，驱动电极、检测电极均与压电驱动接口电极连接，驱动电极和检测电极镀制在压电层上，压电驱动接口电极位于绝缘层B的横向区域之上；接地电极设置在压电层的电极窗口中，直接与衬底相连；所述压电层的电极窗口位于绝缘层B的横向部分。

S8、刻蚀衬底，使得绝缘层A纵向部分所在的衬底悬空，形成压电悬臂梁，以使所述压电悬臂梁能够沿着衬底的法向作周期简谐振动。

对于MEMS-MTJ集成磁传感器来说，其基本原理是利用压电悬臂梁的振动调制空间磁场，所以必须使压电梁悬空，可以自由振动。为了得到悬空的压电悬臂梁，采用的是两步深反应离子刻蚀(Deep Reaction Ion Etch,DRIE)SOI上部的Si层(即器件层)和底部的硅衬底，然后再用反应离子刻蚀去除埋氧层。与反应离子刻蚀相比，除了具有反应离子的优势外，深反应离子刻蚀还具有更好的深宽比。目前用于硅刻蚀的深反应离子刻蚀的气体主要是SF6和C4F8两种气体，先用SF6刻蚀待刻蚀区域，然后再用C4F8进行侧壁和底部保护，然后再用SF6进行刻蚀，如此循环往复，直至达到刻蚀要求。

具体的，参见图12，形成压电悬臂梁的具体步骤如下，：

(1)清洗已经完成前期工艺的SOI原片，如图(a)，省略了表面的已有结构。

(2)正面旋涂AZ1500光刻胶(薄胶)，因为光刻胶与Si的选择比大约在1：70,因此1.5um厚的光刻胶对于10um的Si刻蚀完全足够，采用掩膜板Mask7对光刻胶进行曝光、显影，形成光刻图案，如图(b)；

(3)使用北方华创的深反应离子刻蚀机刻蚀正面的Si层,如图(c)；

(4)去除正面的光刻胶，清洗干净片子，如图(d)；

(5)正面旋涂光刻胶AZ1500进行保护，同时是也是为了表面平整便于粘接衬片，如图(e)；

(6)旋涂背面光刻胶AZ4903，利用掩膜板Mask8对光刻胶进行曝光、显影，得到刻蚀图案，如图(f)；

因为背部的光刻胶需要充当刻蚀200nm SiO2,300um Si和500nm SiO2的掩膜，所以不能再使用AZ1500这样的薄胶，必须使用AZ4903，AZ4620这类的厚胶,本实施例中使用的AZ4903的胶厚是9um,满足刻蚀需求，

(7)为了防止在背部刻蚀中，刻蚀的碎渣掉落到刻蚀机的腔室，在原片的正面使用导热硅脂粘贴了一个一样大小的普通硅片，如图(g)；

(8)由于第一步热氧化时在背部形成了一层致密的SiO2，所以在刻蚀Si之前需要使用DRIE刻蚀200nm SiO2，如图(h)；

(9)刻蚀完SiO2后，再用DRIE刻蚀300um的Si,如图(i)；

(10)接着采用反应离子刻蚀方法刻蚀埋氧层，完全释放压电悬臂梁，如图(j)；

(11)刻蚀完成，取下衬片，如图(k)；

(12)去除残余的光刻胶，至此压电悬臂梁刻蚀完成，同时根据预先设计的裂片槽，将4寸晶圆裂成2cm*2cm大小的方形芯片，便于后续的退火和封装测试，如图(l)。

完成器件加工后，对器件采用两步退火工艺获得高磁阻和线性电阻响应。两次退火中磁场方向如图13所示，第一次退火在350℃和1T的磁场中进行1小时，以诱导自由层的磁各向异性，第二次退火过程在300℃下进行1小时，沿钉扎层的易轴方向旋转90度后加1T的磁场。在第二次退火后，由于自由层和钉扎层的易轴正交，MTJ能够提供线性磁阻响应，当退火步骤完成后，则标志MEMS磁阻磁传感器制造完成。

衬底刻蚀完成后，在压电悬臂梁与衬底之间形成了具有一定宽度的缝隙，可以将悬臂梁视为位于衬底上的通孔中，即于装置中的通孔相对应，该通孔能够容纳悬臂梁且能够使得压电悬臂梁沿衬底法向作周期简谐振动。

在制作方法中形成的绝缘层A和绝缘层B均为T型，绝缘层A和绝缘层B两层叠加后的纵向部分即为最终形成的装置中的第一绝缘层，绝缘层A和绝缘层B两层叠加后的横向部分即为最终形成的装置中的第二绝缘层。制备方法中形成的绝缘层C即为装置中的第三绝缘层。

最终形成的MEMS磁阻传感器如图2-5所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁阻运动调制的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述MEMS磁阻传感器包括：磁阻传感器MTJ、磁通汇聚器、压电悬臂梁，第一衬底；第一衬底为SOI基底，整个MEMS磁阻传感器是在SOI基底上完成的；

第一衬底上设置有与压电悬臂梁尺寸相适应的通孔，所述压电悬臂梁设置于所述通孔中，所述压电悬臂梁一端悬空，另一端与第一衬底固定连接；

所述磁阻传感器MTJ放置在压电悬臂梁悬空端之上，通过所述压电悬臂梁带动所述磁阻传感器MTJ沿着所述通孔的轴向作周期简谐振动；

磁通汇聚器设置在第一衬底上，且对称放置在磁阻传感器MTJ两侧；

所述压电悬臂梁为叠层结构，包括从下至上依次设置的第二衬底、第一绝缘层、压电层，磁阻传感器MTJ埋设在压电悬臂梁悬空端处的第一绝缘层之中，并漏出电极窗口，压电层位于第一绝缘层上未埋设磁阻传感器MTJ的位置，并使压电层与磁阻传感器MTJ间隔一定的距离。

2.根据权利要求1所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述第一衬底为SOI基底，从下至上依次包括Si层、埋氧层、Si层，所述第二衬底为通过去除所述第一衬底底层的Si层和埋氧层而形成，所述第一衬底中的Si层与第二衬底中的Si层为一体结构。

3.根据权利要求2中所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，第一衬底上与悬臂梁连接处还设置有第二绝缘层，第二绝缘层与第一绝缘层为一体结构，并且第一绝缘层与第二绝缘层形成T字型，所述第二绝缘层上设置有压电层的电极窗口。

4.根据权利要求3所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述MEMS磁阻传感器还包括电极层，所述电极层包括MTJ信号检测输出电极、压电驱动电极；所述MTJ信号检测输出电极包括依次连接的MTJ信号检测电极、MTJ信号传输线以及MTJ信号接口电极，所述MTJ信号检测电极位于磁阻传感器MTJ电极窗口中，通过磁阻传感器MTJ的电极接口与磁阻传感器电连接；MTJ信号传输线位于第一绝缘层之上未设置压电层的区域，MTJ信号接口电极设置于第二绝缘层之上；

所述压电驱动电极包括驱动电极、检测电极、压电驱动接口电极以及接地电极，驱动电极、检测电极均与压电驱动接口电极连接，驱动电极和检测电极位于压电层上，压电驱动接口电极位于第二绝缘层之上；接地电极设置在第二绝缘层上的压电层电极窗口中，直接与第一衬底相连。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，压电层材料为氧化锌，厚度为500-1000nm。

6.根据权利要求3或4中任一项所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，磁通汇聚器由镀制在第一衬底上的高磁导率材料形成，厚度为0.5-10μm；两个磁通汇聚器以磁阻传感器MTJ为中心对称布置，两个磁通汇聚器之间的距离大于悬臂梁的宽度；磁通汇聚器上还设置有第三绝缘层。

7.根据权利要求6所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，磁通汇聚器为喇叭形，喇叭形的窄端靠近磁阻传感器MTJ，喇叭形的宽端远离磁阻传感器MTJ；所述窄端与宽端之间的距离为0.5-3mm。

8.根据权利要求6所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层材料均为SiO2，厚度为200-500nm。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的低频MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器MTJ为叠层结构，从下至上依次为：钽金属层、钌金属层、镍铁合金层、钌金属层、钴铁硼材料层、氧化镁层、钴铁硼材料层、钌金属层、钴铁合金层、铱锰合金层、钽金属层、钌金属层。