CN1912646A - 一种mems微型高灵敏度磁场传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS微型高灵敏度磁场传感器及制作方法，其特征在于所述的磁场传感器是由双端固置式MEMS扭转微镜、磁性敏感薄膜和双光纤准直器构成；金属反馈电极和磁性敏感薄膜之间形成器件扭转间隙；通过调节架，利用光学封装树脂，完成与双光纤准直器的封接。其制作方法特征是利用MEMS技术制作微磁敏感结构与光纤检测技术结合，包括传感器基底及反馈电极制作、传感器磁场薄膜的制作、器件键合、整体减薄及反射镜面的制作以及器件扭转结构释放四大步骤，所提供的磁场传感器最小可敏感到60nT的微弱磁场，灵敏度达0.6dB/μT。有利于批量生产和器件成本的降低。

Description

一种MEMS微型高灵敏度磁场传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种微型高灵敏度磁场传感器的结构及制作方法，具体地说，是利用半导体微细加工工艺结合半导体材料实现微型高灵敏度磁场传感器的结构制作。通过不同的封装，该器件可以在真空、空气、水下等多种不同环境中进行磁场探测。本发明属于磁场传感器领域。

背景技术

磁场传感器是对磁信号或者是对能转变为磁信号的参数敏感传感器，是应用最早也是应用最广泛的一类传感器，我国四大发明之一的指南针就是利用此现象的一种传感器。磁场传感器在许多领域已经获得了产业化应用，每年的使用量高达十亿只以上，广泛应用于电机、电力、电子、能源、磁信息读取、汽车工业及工业自动化、家电和安全系统。这些被广泛应用的磁传感器主要是传统的、灵敏度不是很高的霍尔效应器件、磁敏晶体管、磁敏电阻等。随着磁传感领域的发展，对于微型化、更高灵敏度的磁传感器提出了更广泛的需求。

高灵敏度的磁场传感器目前主要有超导量子干涉仪(SQUIDs)磁强计、光磁共振磁强计、磁通门传感器、光纤磁场传感器(潘启军、马伟明、赵治华等.磁场测量方法的发展及应用.电工技术学报，2005，vol.20(3)：7-13.)等几种方式：

(1)超导量子干涉仪(SQUIDs)磁强计是迄今为止最为灵敏的磁场传感器，但制作超导约瑟夫森结工艺较为困难，同时需要低温制冷设备，运行费用高昂。

(2)光磁共振磁强计基于光学相干布局囚禁(CPT)原理，选用原子能级中对于磁场变化最敏感的能级进行监测，其最小可敏感磁场变化为pT量级，但其结构过于复杂，检测信号时还需要与高频率稳定度的时间频率基准进行比对。

(3)磁通门传感器是一种被广泛使用的高灵敏度磁场传感器，最小可敏感nT量级的磁场变化，但是其缺点是器件的体积和功耗都比较大。

(4)随着光纤传感技术的发展和其传输、功耗、网络化等方面的优势，光纤传感技术与磁场传感器相结合而形成的光纤磁场传感器获得了广泛的关注。光纤磁场传感器主要分为两大类：第一类是磁致伸缩型光纤磁传感器，此种方式要求很长(几十cm)的被覆盖磁致伸缩材料的光纤干涉仪，其体积大，而且光纤干涉仪的过长给实用带来了问题；同时由于磁致伸缩材料存在磁滞效应，所以器件需要增加偏置和反馈激励线圈从而实现反馈，这将带来了较大的功耗。第二类是基于法拉第旋光效应的磁传感器，此种传感器不仅体积大、功耗大，同时磁光晶体的法拉第旋转角不仅和磁场强度有关，还与光波长有关，所以还需要温度控制电路和自动功率控制电路，以确保输出光波长的稳定。

以上高灵敏度的磁场传感器都存在着体积大、功耗大、成本高昂等问题，极大的限制了它们的应用范围，因此需要进一步发展微型化、低功耗、低成本的高灵敏度磁场传感器[(1)王元庆.新型传感器原理及应用.机械工业出版社，2002.(2)Clarke.Principles and applications of SQUID_S.Proc.of the IEEE，1989，17(8)：1208-1223.(3)陈学岗、何兴道、邹文栋.光纤磁场传感器的磁场探头设计.仪表技术与传感器，2004 No.2：5-6.]。从目前正在发展的多种高灵敏度磁场传感器来看，还未能较好的解决体积、功耗、成本、大规模批量生产等方面的问题。为此，本发明试图将MEMS(Micro-ElectromechanicalSystems，微机电系统)技术和光纤检测技术相结合，提出了一种MEMS微型高灵敏度磁场传感器及制作方法。利用MEMS技术制作微磁敏感结构与光学灵敏信号检测相结合，以实现体积小、低功耗、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

本发明目的在于提供一种MEMS微型高灵敏度磁场传感器及制作方法。

结构上，本发明提供的磁场传感器是由双端固置式MEMS扭转微镜、磁性敏感薄膜和双光纤准直器构成。整体结构如图1所示：

(1)采用Si、SOI(绝缘体上硅)、Ge、GaAs、派勒克斯(Pyrex)7740玻璃等材料中的一种作为基底及器件支撑体。

(2)利用金属铝或金形成器件静电反馈电极。当没有反馈电极时，器件输出信号为光强衰减信号；当存在反馈电极时，器件输出信号为反馈电压信号。出于器件打线、封装及承载电压考虑，反馈电极厚度通常为0.3-1μm。

(3)磁性敏感薄膜、双端固置式扭转微镜和金属反射镜面一起构成器件的微扭转敏感结构。磁性敏感薄膜可以是Ni、NiFe合金、NiFeCo合金、NiFeCoMn合金以及其他可以在微细加工工艺中制作和图形化的磁性材料。其厚度以综合考虑材料应力和剩磁感应强度为基础，例如NiFe合金材料厚度通常选取厚度为0.1-0.4μm。

(4)在硅片中通过图形化掩膜，刻蚀释放出双端固置式扭转硅结构，其厚度需要根据结构物理承重、扭转敏感度和材料应力综合考虑(通常扭转器件设计，其硅材料应力不得超过其断裂应力的五分之一，即不能超过600MPa)。

(5)金属反射镜面起到增加反射率、减少插入损耗的目的，通常采用金作为反射镜面。

(6)金属反馈电极和磁性敏感薄膜之间形成的器件扭转间隙决定着器件反馈电压的输出值(间隙越大则相同电压下所提供的静电力越小)。

(7)最后器件通过调节架，利用光学封装树脂，完成与双光纤准直器的封接，从而实现整体器件的制作。

综上所述，首先通过支撑体与反馈电极形成器件的支撑与反馈结构；其次在硅片上通过制作磁性敏感薄膜、金反射镜面并释放扭转硅结构，实现器件磁性敏感扭转结构；最后利用光学封装树脂，通过光学调节架完成与双光纤准直器的封接，完成所述磁性传感器器件的整体结构。

本发明提出的高灵敏度微型磁场传感器由双端固支式MEMS扭转微镜、磁性敏感薄膜和双光纤准直器构成，器件的工作原理如图2所示。传感器工作过程包括与外磁场作用产生扭矩-机械结构扭转-光学信号检测三个步骤：

(1)根据电磁学基本原理，磁性敏感薄膜受到正交方向磁场作用时将产生磁扭矩；

(2)在该扭矩作用下，MEMS磁性敏感扭转结构将扭转，产生一定的扭转角度；

(3)通过双光纤准直器与微镜面形成的反射光路，可以探测由于扭转所产生的光强耦合损耗；通过耦合损耗可以计算镜面的扭转角度，最终获得待测磁场信息。

磁性敏感薄膜黏附于扭转结构之上，当外界存在磁场时，磁性敏感薄膜会受到扭矩作用；从而带动整个扭转结构产生扭转；此时位于扭转结构背面的反射镜面也会随之转动，此时双光纤准直器接收到的反射光就会产生耦合损耗，通过测得耦合损耗就可以得到待测外界磁场信息。如果结构中含有反馈电极结构，可以通过其施加反馈电压，使扭转结构重新恢复到初始位置，此时的反馈电压也是磁场信息的直接反应。含有反馈结构的器件将具有更高的外场检测灵敏度，并可以实现三轴矢量测量。

本器件结构通过以下制作方法实现：

(1)首先在可以起到绝缘和支撑效果的基底及器件支撑体1上，通过磁控溅射或电子束蒸发及其他方法制作金属铝、金或其他电极材料，如图3(b)所示。

(2)涂胶(图3c)、光刻显影(图3d)后，通过腐蚀(图3e)、去胶(图3f)等工艺实现反馈电极2的图形化制作。

(3)通过刻蚀在衬底硅、SOI或其他材料(图4a)上涂胶(图4b)，光刻并显影得到如图4(c)所示图形化掩膜。

(4)刻蚀或腐蚀(图4d)形成扭转结构的活动空间，并去除光刻胶掩膜得到如图4(e)所示结构。

(5)再次涂胶(图4f)、光刻显影(图4g)，通过溅射或电子束蒸发等方法制作磁性敏感薄膜，得到如图4(h)所示结构。

(6)利用丙酮剥离，去除光刻胶掩膜，实现磁敏感薄膜图形化，最终结构如图4(i)所示。

(7)完成器件敏感部分(图4i)与器件支撑体基底(图3f)键合，得到如图5(a)所示结构。

(8)采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，对硅材料进行整体减薄，得到如图5(b)所示结构。

(9)对图5(b)所示结构进行化学机械抛光(CMP)以改善减薄表面的粗糙度(如果选用SOI硅片则直接KOH腐蚀到SiO₂层后，去除SiO₂，从而实现减薄与平整表面的制作。)，此时硅材料的表面将具有良好的表面平整度和表面粗糙度，以满足制作光学镜面的要求。

(10)将图5(b)所示结构放入匀强磁场中完成磁性材料的磁化，磁性材料磁化后将成为磁性敏感薄膜。

(11)涂胶(图5c)、光刻显影(图5d)后，通过磁控溅射或电子束蒸发等方法制作金或其它反射材料，得到如图图5(e)所示结构。

(12)利用丙酮剥离，去除光刻胶掩膜，实现反射镜面的图形化，得到如图5(f)所示结构。

(13)涂胶(图6a)、光刻显影涂胶(图6b)后，通过刻蚀(图6c)释放器件微扭转结构，去除光刻胶掩膜后，完成如图6(d)所示的器件磁性敏感扭转结构的制作。

(14)通过光学对准、光学封装树脂胶合，实现器件的后端光学封接，最终实现如图1所示器件结构的制作。

本发明采用了微光学扭转镜面、选用永磁敏感薄膜作为外磁场敏感元件，并结合双光纤准直器灵敏检测技术。通过利用ANSYS软件对器件结构应力、扭转模态及物理运动过程的分析模拟，并结合双光纤准直器光学检测部分的数值计算，结果表明该器件可以实现60nT的测试分辨率，即器件最小可以敏感到60nT的微弱磁场，其灵敏度达到0.6dB/μT。将外磁场作用下产生的微镜面扭转角度的Matlab解析解与ANSYS模拟值相对比，二者均表现了外场磁感应强度与镜面扭转角度的线性关系。

此种结构的测试灵敏度和分辨率均达到了实用器件的参数要求。即通过本方法实现的微型磁场传感器具有小体积、低功耗、低成本、高灵敏度的优势。通过不同的外封装形式，该器件可以在真空、空气、水下等多种不同环境中进行微弱磁场的灵敏检测。其具体应用主要表现在：

(1)国防领域：对于舰船、潜艇、水雷、鱼雷等系统的磁特征监测、定位和识别，构成海域警戒和防卫系统，同时也为自有系统的消磁效果提供依据，提高系统的安全性；地面战场上对于装甲设备、武器装备和战斗部队的部署及其运动情况进行探测、警戒和防御，形成战场侦查和警戒网络；地雷的探测、识别和定位；磁通信，水下和强电磁干扰条件下的通信是非常困难的，采用磁信号的收发的通信是一种重要的通信方式；磁引信，该技术是水雷、鱼雷等水下攻击武器的可靠引线。

(2)在地震预报、物探、考古、无损检测等领域，微型高灵敏度磁场探测是一种重要的技术手段，地震、矿藏、考古现场、材料内部损伤通常伴随着磁场的异常，通过对于磁场异常的监测可以有效的获取相关重要信息。

(3)在医学和生物领域，对微弱生物电流产生的极弱磁场进行探测，可以获得重要的生物信息，如脑磁图、心磁图等诊断方法。

(4)磁导航：航天器及水下平台的姿态测量。

(5)空间磁场探测、地磁探测及科学研究。

(6)社会安全系统中的广泛应用。

鉴于本发明优越的器件性能和广泛的应用领域，说明本方法是一种有效的微型高灵敏度磁场传感器的制作方法，可以实现批量生产，具有广泛的应用前景、深远的社会效益和可观的经济效益。

与现有的方法比较，本发明提供的制作方法制作的磁场传感器具有以下特点：

(1)采用MEMS技术制作微扭转结构与磁敏感薄膜，可以实现传感器更高的灵敏度，最小可以敏感到60nT的微弱磁场，灵敏度达0.6dB/μT。

(2)通过光学检测方法，可以进一步提高器件的测试灵敏度。

(3)施加反馈信号，通过测试反馈电压可以进一步实现更高的器件测试分辨率。

(4)本器件具有较小的体积，由于采用光学检测与静电反馈，从而可以实现更小的功耗。

(5)采用MEMS技术制作，有利于器件的批量化生产，降低器件成本。

(6)光学检测技术有利于实现器件形成网络化、系统级的信号探测。

(7)该器件可以广泛应用于生产、生活的各个领域。

附图说明

图1：磁场传感器结构示意图

图2：磁场传感器的工作原理图

图3：传感器基底及反馈电极制作工艺流程

(a)器件基底及支撑体

(b)制作反馈电极金属层

(c)旋涂光刻胶

(d)光刻、显影

(e)图形化制作反馈电极

(f)去除光刻胶掩膜

图4：传感器磁性敏感薄膜的制作工艺流程

(a)衬底硅、SOI或其他衬底材料

(b)旋涂或喷涂光刻胶

(c)光刻、显影

(d)刻蚀或腐蚀制作出扭转活动空间

(e)去除光刻胶掩膜

(f)旋涂或喷涂光刻胶

(g)光刻、显影

(h)溅射或电子束蒸发制作磁敏感薄膜

(i)丙酮剥离、去除光刻胶掩膜、实现磁敏感薄膜图形化

图5：器件键合、整体减薄及反射镜面制作工艺流程

(a)器件敏感部分与器件支撑体基底键合

(b)KOH整体减薄、硅片进行化学机械抛光(SOI材料去除SiO₂层)

(c)旋涂或喷涂光刻胶

(d)光刻、显影

(e)溅射或蒸发反射金属层

(f)剥离、去除光刻胶掩膜

图6：器件扭转结构释放工艺流程

(a)旋涂或喷涂光刻胶

(b)光刻、显影

(c)刻蚀释放微扭转结构

(d)去除光刻胶掩膜

图中：1：器件基底及支撑体

2：反馈电极

3：衬底硅、SOI或其他衬底材料

4：磁性敏感薄膜

5：双端固置式扭转微镜(扭转硅结构)

6：金反射镜面

7：双光纤准直器

8：光学封装树脂材料

9：光纤尾线

10：光刻胶

具体实施方式

下面通过实施例来说明本发明的具体实施方法，半导体材料选用P+型低阻硅片，但本发明的应用不仅限于硅材料；器件基底及支撑体以Pyrex7740玻璃为例，但不仅限于Pyrex7740玻璃，还可以选用Si、SOI、Ge、GaAs等材料；金属反馈电极以Al材料为例，但不仅限于Al材料，还可以选用Au等其他反馈电极材料；金属反射镜面以Au材料为例，但不仅限于Au材料，还可以选用其他反射材料；磁性敏感薄膜以NiFe合金为例，但不仅限于NiFe合金，还可以选用Ni、NiFeCo合金、NiFeCoMn合金和其他可图形化磁性材料。本方法对于湿法腐蚀制作扭转腔体和干法刻蚀扭转腔体均适用，实施例仅以干法刻蚀制作方法为例。

实施例：MEMS高灵敏度磁场传感器具体工艺实施方法如下：

(1)首先在Pyrex7740玻璃支撑体1上，通过溅射或电子束蒸发金属铝电极材料2，如图3(b)所示。

(2)选择半导体材料如硅片1(普通P+型(100)双抛硅片(图4a)，厚度420±20微米，电阻率0.01-0.02欧姆厘米)，进行涂胶(图3c)、光刻显影(图3d)后，通过腐蚀(图3e)、去胶(图3f)等工艺实现反馈电极2的图形化制作。

(3)通过刻蚀在衬底硅、SOI或其他材料(图4a)上涂胶(图4b)，光刻并显影得到如图4(c)所示图形化掩膜。

(4)刻蚀或腐蚀(图4d)形成扭转结构的活动空间，并去除光刻胶掩膜得到如图4(e)所示结构。

(5)再次涂胶(图4f)、光刻显影(图4g)，通过溅射或电子束蒸发等方法制作制作NiFe磁性敏感薄膜0.1～0.4微米，得到如图4(h)所示结构。

(6)利用丙酮剥离，去除光刻胶掩膜，实现磁敏感薄膜图形化，最终结构如图4(i)所示。

(7)完成器件敏感部分(图4i)与器件支撑体基底(图3f)键合，得到如图5(a)所示结构。

(8)采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，对硅材料进行整体减薄，得到如图5(b)所示结构。

(9)对图5(b)所示结构进行化学机械抛光(CMP)以改善减薄表面的粗糙度(如果选用SOI硅片则直接KOH腐蚀到SiO₂层后，去除SiO₂，从而实现减薄与平整表面的制作。)，此时硅材料的表面将具有良好的表面平整度和表面粗糙度，以满足制作光学镜面的要求。

(10)将图5(b)所示结构放入匀强磁场中完成磁性材料的磁化，磁性材料磁化后将成为磁性敏感薄膜。

(11)涂胶(图5c)、光刻显影(图5d)后，通过磁控溅射或电子束蒸发等方法制作金属Au作为光学反射材料，得到如图图5(e)所示结构。

(12)利用丙酮剥离，去除光刻胶掩膜，实现反射镜面的图形化，得到如图5(f)所示结构。

(13)涂胶(图6a)、光刻显影涂胶(图6b)后，通过刻蚀(图6c)释放器件微扭转结构，去除光刻胶掩膜后，完成如图6(d)所示的器件磁性敏感扭转结构的制作。

(14)通过光学对准、光学封装树脂胶合，实现器件的后端光学封接，最终实现如图1所示器件结构的制作。

Claims (10)

1、一种MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的磁场传感器是由双端固置式MEMS扭转微镜、磁性敏感薄膜和双光纤准直器构成；金属反馈电极和磁性敏感薄膜之间形成器件扭转间隙；通过调节架，利用光学封装树脂，完成与双光纤准直器的封接。

2、按权利要求1所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的金属反馈电极位于器件基底及支撑体上。

3、按权利要求2所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的基底及支撑体为Si、绝缘体上硅、Ge、GaAs和派勒克斯7740玻璃中任意一种。

4、按权利要求1或2所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的金属反馈电极为Al或An；厚度为0.3-1μm。

5、按权利要求1所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的MEMS扭转微镜的一个面上为磁性敏感膜，另一个面以Au作反射面。

6、按权利要求1或5所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的磁性敏感薄膜为Ni、NiFe合金、NiFeCo合金、或NiFeCoMn合金。

7、按权利要求1或5所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的磁性敏感薄膜为NiFe合金，厚度为0.1-0.4μm。

8、按权利要求6所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器，其特征在于所述的磁性敏感薄膜为NiFe合金，厚度为0.1-0.4μm。

9、制备如权利要求1所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器的方法，其特征在于利用MEMS技术制作微磁敏感结构与光纤检测技术相结合，包括传感器基底及反馈电极制作、传感器磁场薄膜的制作、器件键合与整体减薄及反射镜面的制作以及器件扭转结构释放四大步骤，具体步骤为：

1)首先在起绝缘和支撑效果的基底及器件支撑体(1)上，通过磁控溅射或电子束蒸发及其他方法制作金属铝或金；

2)涂胶、光刻显影后，通过腐蚀、去胶等工艺实现反馈电极(2)的图形化制作。

3)通过刻蚀在衬底硅、SOI或其他材料上涂胶，光刻并显影得到图形化掩膜。

4)刻蚀或腐蚀形成扭转结构的活动空间，并去除光刻胶掩膜；

5)再次涂胶、光刻显影，通过溅射或电子束蒸发方法制作磁性敏感薄膜；

6)利用丙酮剥离，去除光刻胶掩膜，实现磁敏感薄膜图形化；

7)完成器件敏感部分与器件支撑体基底键合；

8)采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，对硅材料进行整体减薄；

9)步骤8整体减薄后的结构进行化学机械抛光以改善减薄表面的粗糙度使硅材料的表面将具有良好的表面平整度和表面粗糙度，以满足制作光学镜面的要求；

10)步骤8整体减薄后的结构放入匀强磁场中完成磁性材料的磁化，磁性材料磁化后将成为磁性敏感薄膜；

11)涂胶、光刻显影后，通过磁控溅射或电子束蒸发方法制作金或其它反射材料；

12)利用丙酮剥离，去除光刻胶掩膜，实现反射镜面的图形化；

13)涂胶、光刻显影涂胶后，通过刻蚀释放器件微扭转结构，去除光刻胶掩膜后，完成所述的器件磁性敏感扭转结构的制作；

14)通过光学对准、光学封装树脂胶合，实现器件的后端光学封接，最终实现整个磁性传感器器件结构的制作。

10、按权利要求9所述的MEMS微型高灵敏度磁场传感器的制作方法，其特征在于以绝缘体上硅为基体及支撑体，则在步骤8整体减薄后的结构直接用KOH腐蚀剂SiO₂层后，去除SiO₂，实现减薄和平整表面的制作。

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