專利名稱：一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)傳感器及其制備方法，尤其涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳 感器及其測(cè)量方法，具體說(shuō)該E型梁結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感器是采用與 CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor)相兼容的工藝，能實(shí)現(xiàn)激勵(lì)及 檢測(cè)電路的單片集成，其原理是基于感生電壓檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。
背景技術(shù)：
磁場(chǎng)傳感器是感知磁場(chǎng)的存在和磁場(chǎng)強(qiáng)度的，是廣泛應(yīng)用的一種傳感器。磁 場(chǎng)傳感器的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，從中國(guó)的四大發(fā)明之一的指南針到現(xiàn)在用于 精確定位的電子導(dǎo)航儀以及安保系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活的方方 面面。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術(shù)的發(fā)展，使芯片上的微結(jié)構(gòu)加 工成為可能，同時(shí)降低了微機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系 統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。法國(guó)的Vincent Beroulle提出了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳 感器[11，采用壓阻效應(yīng)來(lái)測(cè)量懸臂梁因受磁場(chǎng)力而產(chǎn)生的變形，但是壓阻效應(yīng)受 溫度影響比較大。另一種梳齒結(jié)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器[2]，這種結(jié)構(gòu)測(cè)量比 較方便，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝要求高，并且要使梳齒諧振器發(fā)生運(yùn)動(dòng)所需要 的功耗比較大，靈敏度也不是很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種功耗低、靈敏度高、精度高、受溫度影響小的微機(jī) 電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
本發(fā)明另一 目的是提供一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法，該測(cè)量方法 簡(jiǎn)單、功耗低，受溫度影響小。
本發(fā)明進(jìn)一步目的是提供一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的制備方法，該方法簡(jiǎn)單、成本低。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
該傳感器包括襯底、E型懸臂梁、感生金屬線，E型懸臂梁平行懸空設(shè)于襯 底的上方，且左側(cè)臂、右側(cè)臂、中臂與襯底相連接；感生金屬線被設(shè)于E型懸 臂梁上表面，并能與E型懸臂梁同步運(yùn)動(dòng)。
所述感生金屬線被設(shè)于E型懸臂梁的自由端和固支的左側(cè)臂、右側(cè)臂上，
感生金屬線通過(guò)測(cè)量錨區(qū)連接在襯底上。
在感生金屬線與E型懸臂梁之間設(shè)有絕緣層，在襯底的下部設(shè)有與E型懸 臂梁平行的電極。
所述感生金屬線鍍?cè)贓型懸臂梁的遠(yuǎn)離襯底的上表面。
微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法為，首先施加外加激勵(lì)使得E型懸臂梁 產(chǎn)生振動(dòng)，與E型懸臂梁同步運(yùn)動(dòng)的感生金屬線作切割磁力線運(yùn)動(dòng)而感生出感 生電壓，再測(cè)量所述的感生電壓，就可以獲得外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
所述E型懸臂梁與襯底絕緣，在襯底的下部相應(yīng)地設(shè)有與E型懸臂梁平行的 電極，所述外加激勵(lì)的方法為在E型懸臂梁以及電極之間之間加上交流電壓信 號(hào)使其振動(dòng)。
所述外加激勵(lì)的頻率等于E型懸臂梁的諧振頻率。
包括以下步驟利用表面微機(jī)械加工技術(shù)在襯底上加工E型懸臂梁，再在 其表面濺射金屬Al表面并光刻形成感生金屬線，最后通過(guò)腐蝕犧牲層PSG釋放 結(jié)構(gòu)形成E型懸臂梁。
有益效果
l.本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，該結(jié)構(gòu)具有功耗小、靈敏 度高、精度高、受溫度影響小及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用感生電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量， 整個(gè)過(guò)程中電流很小，功耗低，而且只要該結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，就能感應(yīng)出感生電壓， 并且結(jié)構(gòu)中沒(méi)有采用壓阻元件，所以溫度變化對(duì)測(cè)量的影響不是很大。本發(fā)明可 通過(guò)使得感生金屬線與E型懸臂梁絕緣(在懸臂梁上加上交流電壓時(shí)，避免在感 生金屬線上增加額外的干擾)，并在襯底上設(shè)置電極，再在E型懸臂梁以及所述 電極之間加上交流信號(hào)，即采用靜電驅(qū)動(dòng)E型懸臂梁，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以 方便的改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小，因而能夠控制懸臂梁的運(yùn)動(dòng)速度及幅值，從而可以 適應(yīng)較寬范圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。本發(fā)明還可采用壓電陶瓷進(jìn)行激勵(lì)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量其振動(dòng)速度(例如采用polytech公司的多普勒激光測(cè)振儀)以及感生金屬線的 感生電動(dòng)勢(shì)，計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度。
2. 本發(fā)明將所述感生金屬線設(shè)于E型懸臂梁的自由端和固支的左右側(cè)臂上， E型懸臂梁自由端處速度最快，并且自由端的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)也比較靈活，因此其靈敏 度以及精度較高。
3. 本發(fā)明E型懸臂梁驅(qū)動(dòng)方式靈活，產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)測(cè)量方便，E型結(jié)構(gòu) 有利于降低E型懸臂梁的橫向扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)，有利于提高測(cè)量精度。
4. 本發(fā)明在所述感生金屬線兩端連接有測(cè)量錨區(qū)，該測(cè)量錨區(qū)具有比感生金 屬線更大的尺寸，在進(jìn)行引線鍵合等引出方式，將具有良好的接觸，并使得電接 觸更加可靠，從而使得感生電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量結(jié)果更加精確。
5. 本發(fā)明采用的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法,采用感生電壓原理來(lái)測(cè) 量，通過(guò)測(cè)量在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的金屬線上感生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量得到磁場(chǎng)的信息，避 免了溫度的影響，因而該方法具有簡(jiǎn)單、功耗低、受溫度影響較小。
6. 本發(fā)明所外加激勵(lì)的頻率等于E型懸臂梁的諧振頻率，能夠使得E型懸臂 梁在諧振頻率點(diǎn)獲得較大的振幅以及大的振動(dòng)速度，使得感生金屬線切割磁力線 的速度變快，因此，可使得輸出的感生電壓的值增大，有利于提高測(cè)量精度。諧 振頻率處，所要的功耗較低，又具有較大的振幅，可以提高其測(cè)量精度。
7. 本發(fā)明可采用MEMS加工技術(shù)制造，與CMOS工藝相兼容，因此該裝置的成 本較低；其制備方法也適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，方法簡(jiǎn)單，成本較低。
本發(fā)明是用于測(cè)量磁場(chǎng)的MEMS磁場(chǎng)傳感器，該傳感器以襯底為平面，在襯底 上設(shè)有由E型懸臂梁、感生金屬線、錨區(qū)組成的傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)該傳感器處于磁 場(chǎng)中時(shí)，E型懸臂梁上受靜電力或者熱激勵(lì)作用產(chǎn)生振動(dòng)或者外加的激振(如壓 電陶瓷)，鍍?cè)贓型懸臂梁上的感生金屬線能隨E型懸臂梁的振動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。感生 金屬線在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，感生金屬線兩端會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，E型懸 臂梁在磁場(chǎng)中的振動(dòng)速度可以測(cè)量得到，測(cè)量感生金屬線中的感生電壓從而達(dá)到 測(cè)量磁場(chǎng)的目的。


圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的平面結(jié)構(gòu)示意圖。以上的圖中有測(cè)量錨區(qū)l、感生金屬線2、 E型懸臂梁3、自由端31、左 側(cè)臂32、右側(cè)臂33、中臂34、襯底4。 圖3是本發(fā)明的剖面圖。
圖中有金屬層5、 Si02膜層6、 Si膜層7、 SisN4膜層8、 Si02薄膜9、 Si 膜10;其中Si3N4膜層8、 Si02薄膜9、 Si膜10構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)的襯底4， Si膜7 和Si膜10分別作為靜電激勵(lì)的上下電極。
具體實(shí)施方案 實(shí)施例l
一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器，包括襯底4，還包括E型懸臂梁3和感生金屬 線2， E型懸臂梁3平行設(shè)于襯底4上，感生金屬線2被設(shè)于E型懸臂梁3上， 并能與E型懸臂梁3同步運(yùn)動(dòng)。本實(shí)施例中，感生金屬線2可用蒸發(fā)或電鍍的 方法鍍于E型懸臂梁3的上表面，也可以用濺射的方法在上述位置布置金屬線。 當(dāng)采用靜電激勵(lì)方式使懸臂梁振動(dòng)時(shí)，需要在感生金屬線2與E型懸臂梁3之 間設(shè)有絕緣層，而且在襯底上需設(shè)置與E型懸臂梁3相應(yīng)的電極，從而有利于 加靜電載荷。感生金屬線2的材質(zhì)可以為鋁、銀等導(dǎo)電金屬，在E型懸臂梁3 振動(dòng)時(shí)，感生金屬線2可以隨E型懸臂梁3的振動(dòng)而同步作切割磁力線運(yùn)動(dòng)從 而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。
本實(shí)施例中，所述感生金屬線2被設(shè)于E型懸臂梁3的自由端31和固支的 左右側(cè)臂32、 33上。所述感生金屬線2上還設(shè)有測(cè)量錨區(qū)1，該測(cè)量錨區(qū)的寬 度比感生金屬線2的寬度大，測(cè)量錨區(qū)可通過(guò)引線鍵合的方式與測(cè)量感生電動(dòng)勢(shì) 的儀表連接。將感生金屬布在E型懸臂梁的自由端是因?yàn)檎麄€(gè)E型懸臂梁結(jié)構(gòu) 中該部分是振動(dòng)速度最快的部分，在同樣的磁場(chǎng)作用下，感生電壓的幅度也最大。 實(shí)施例2
一種運(yùn)用實(shí)施例1所述微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法，首先施加外加激 勵(lì)使得E型懸臂梁3產(chǎn)生振動(dòng)，與E型懸臂梁3同步運(yùn)動(dòng)的感生金屬線2作切 割磁力線運(yùn)動(dòng)而感生出感生電壓，再測(cè)量所述的感生電壓，就可以獲得環(huán)境磁場(chǎng) 的強(qiáng)度。
外加激勵(lì)可以為壓電陶瓷等外在的激勵(lì)源，使其振動(dòng)；另外一種方案是所 述E型懸臂梁3與襯底4絕緣，在襯底4上相應(yīng)地設(shè)有與E型懸臂梁3平行的電極，所述外加激勵(lì)的方法為在E型懸臂梁3以及電極之間之間加上交流電壓信 號(hào)使其振動(dòng)，即采用靜電力對(duì)其施加振動(dòng)，施加靜電力進(jìn)行振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是可以更 加精確的控制振動(dòng)速度以及振動(dòng)頻率，從而適應(yīng)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，有利于測(cè) 量精度、靈敏度以及量程的提高。根據(jù)外加激勵(lì)以及梁的材質(zhì)參數(shù)，可以計(jì)算出 懸臂梁的運(yùn)動(dòng)速度，再結(jié)合測(cè)量得到的感生電壓的大小，就可以得到磁場(chǎng)強(qiáng)度。
所述外加激勵(lì)的頻率等于E型懸臂梁3的諧振頻率，在E型懸臂梁3諧振頻 率處振動(dòng),可以使其產(chǎn)生更大的振幅和振動(dòng)速度，從而提高其測(cè)量精度和靈敏度。 實(shí)施例3
本發(fā)明是一種用于測(cè)量磁場(chǎng)的MEMS磁場(chǎng)傳感器，由測(cè)量錨區(qū)1、感生金屬 線2、 E型懸臂梁3、襯底4構(gòu)成。該傳感器以襯底4為平面，在襯底4上設(shè)有 由感生金屬線2、 E型懸臂梁3、錨區(qū)1組成的、左右對(duì)稱于中線的傳感器結(jié)構(gòu)， 感生金屬線2能隨E型懸臂梁3的振動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。
感生金屬線2可以是A1、 Au等，感生金屬線2、測(cè)量錨區(qū)l通過(guò)刻蝕得到 的。感生金屬線2上測(cè)量得到電壓的數(shù)值，電壓的變化取決于磁場(chǎng)的大小和感生 金屬線切割磁力線速度的大小，速度可以測(cè)量得到，所以可以通過(guò)測(cè)量電壓得到 磁場(chǎng)的信息。
本例提出的磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)構(gòu)主要采用表面微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)。首先在硅襯底
上氧化形成一層Si02薄膜，然后再生長(zhǎng)一層Si3N4絕緣層，這樣就構(gòu)成傳感器結(jié)
構(gòu)總的襯底4，接著在Si3N4表面生長(zhǎng)一層PSG犧牲層，淀積生長(zhǎng)一層低應(yīng)力的 多晶硅結(jié)構(gòu)層。對(duì)該多晶硅進(jìn)行摻雜以降低電阻，然后氧化形成一層Si02膜， 再對(duì)表面濺射金屬Al表面并光刻形成感生金屬線2，通過(guò)光刻與刻蝕工藝，形 成E型懸臂梁3結(jié)構(gòu)并腐蝕PSG釋放結(jié)構(gòu)。
磁場(chǎng)是利用感生電壓的方法來(lái)測(cè)量的，即當(dāng)該傳感器處于磁場(chǎng)中時(shí)，通過(guò) 激勵(lì)使E型懸臂梁3發(fā)生振動(dòng)，E型懸臂梁3的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)垂直，E型懸臂 梁3帶動(dòng)其結(jié)構(gòu)上方的感生金屬線2運(yùn)動(dòng)，感生金屬線2在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)感生出電 壓，而電壓的大小取決于磁場(chǎng)的大小和感生金屬線2運(yùn)動(dòng)的速度，通過(guò)測(cè)量感生 金屬線2上的電壓，測(cè)得到磁場(chǎng)的大小。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器，其特征在于該傳感器包括襯底(4)、E型懸臂梁(3)、感生金屬線(2)，E型懸臂梁(3)平行懸空設(shè)于襯底(4)的上方，且左側(cè)臂(32)、右側(cè)臂(33)、中臂(34)與襯底(4)相連接；感生金屬線(2)被設(shè)于E型懸臂梁(3)上表面，并能與E型懸臂梁(3)同步運(yùn)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器，其特征在于所述感生金 屬線(2)被設(shè)于E型懸臂梁(3)的自由端(31)和固支的左側(cè)臂(32)、右側(cè)臂(33)上， 感生金屬線(2)通過(guò)測(cè)量錨區(qū)(1)連接在襯底(4)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器，其特征在于在感生 金屬線(2)與E型懸臂梁(3)之間設(shè)有絕緣層，在襯底(4)的下部設(shè)有與E型懸 臂梁(3)平行的電極(10)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器，其特征在于所 述感生金屬線(2)鍍?cè)贓型懸臂梁(3)的遠(yuǎn)離襯底的上表面。
5. —種如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法，其特征在 于，首先施加外加激勵(lì)使得E型懸臂梁(3)產(chǎn)生振動(dòng)，與E型懸臂梁(3)同步運(yùn)動(dòng) 的感生金屬線(2)作切割磁力線運(yùn)動(dòng)而感生出感生電壓，再測(cè)量所述的感生電壓， 就可以獲得外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法，其特征在于， 所述E型懸臂梁(3)與襯底(4)絕緣，在襯底(4)的下部相應(yīng)地設(shè)有與E型懸臂梁(3) 平行的電極(IO)，所述外加激勵(lì)的方法為在E型懸臂梁(3)以及電極之間之間加 上交流電壓信號(hào)使其振動(dòng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法，其特征在 于，所述外加激勵(lì)的頻率等于E型懸臂梁(3)的諧振頻率。
8. —種根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的制備方法，其特征在 于包括以下步驟利用表面微機(jī)械加工技術(shù)在襯底(4)上加工E型懸臂梁(3)，再 在其表面濺射金屬Al表面并光刻形成感生金屬線(2),最后通過(guò)腐蝕犧牲層PSG 釋放結(jié)構(gòu)形成E型懸臂梁(3)。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器及測(cè)量方法是一種功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、可靠性好的磁場(chǎng)傳感器及測(cè)量方法，由錨區(qū)(1)、感生金屬線(2)、E型懸臂梁(3)、襯底(4)構(gòu)成。E型懸臂梁由靜電激勵(lì)或者洛倫茲力驅(qū)動(dòng)，E型懸臂梁(3)受力產(chǎn)生振動(dòng)，在一定的頻率作用下懸臂梁將產(chǎn)生諧振，鍍?cè)贓型懸臂梁(3)上的感生金屬線(2)能隨E型懸臂梁(3)的振動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)存在的情況下，感生金屬線(2)在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，這樣金屬線中就可以感生出感生電壓，測(cè)量感生金屬線(3)中的感生電壓從而達(dá)到測(cè)量磁場(chǎng)的目的。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101320081SQ200810022319
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者明 秦, 趙桂林, 潔 陳, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)