專利名稱：一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微機電系統(tǒng)(MicroElectro Mechanical Systems,MEMS)技術(shù)的電渦流傳感器芯片及其制備方法，特別是一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)和MEMS技術(shù)的不斷進步，有力地促進了非接觸測量技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些基于MEMS技術(shù)的非接觸測量的新方法。電渦流傳感器就是諸多測量方法中的一種，基于電渦流效應(yīng)的傳感器是一種電一磁一電式的傳感器，它的敏感元件由線圈組成。線圈由正弦信號激勵，使它產(chǎn)生一個同頻交變磁場，當被測導(dǎo)體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，會產(chǎn)生電渦流場，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場阻礙外磁場的變化，該變化會影響線圈的阻抗，感抗以及品質(zhì)因子的變化，然后將這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰蛘唠妷旱亩兓M行測量，則可知被測參數(shù)。它的優(yōu)點是長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點等。缺點是只能測量導(dǎo)體，并且在低頻，微位移，微缺陷的情況下，靈敏度欠佳，例如大多數(shù)線圈探測時主要對缺陷和裂縫的接近邊緣比較敏感，這會出現(xiàn)大信號將小信號掩蓋的情況。目前，隨著MEMS的技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了越來越多利用不同原理測量的磁力計，例如諧振式磁力計、磁通門式磁力計、霍爾式磁力計等等，MEMS磁力計的測量范圍可以從IT到lfT，其中諧振式磁力計利用洛倫茲力原理在激勵微機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諧振的傳感器，可以檢測的磁場范圍可以靈敏度高達IT和最大分辨率為InT。磁通門磁力計是利用纏繞在鐵磁核心周圍的激勵和感應(yīng)線圈之間磁通變化引起的電勢不平衡來測量的，這樣的傳感器可以檢測到靜態(tài)和磁感應(yīng)強度最大ImT的低頻磁場，最大分辨率可達到ΙΟΟρΤ。霍爾式磁力計基于霍爾效應(yīng)傳導(dǎo)原理來測量靜或變化磁場，它的敏感磁場范圍可以從ImT到1T。綜上，磁力計發(fā)展，尤其是針對低磁場測量的磁力計的發(fā)展，為進一步實現(xiàn)諧振式電渦流傳感器提供了基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片及其制備方法，通過諧振結(jié)構(gòu)的諧振狀態(tài)，來提高電渦流傳感器的靈敏度和分辨力，實現(xiàn)對微位移、微缺陷的精確測量。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，包括激勵線圈6和諧振結(jié)構(gòu)兩部分，激勵線圈6為矩形平面線圈結(jié)構(gòu)，諧振結(jié)構(gòu)由諧振梁10、直流導(dǎo)線8、拾振電阻7和惠斯通電橋連接構(gòu)成，諧振結(jié)構(gòu)位于芯片中心，激勵線圈6圍繞于諧振結(jié)構(gòu)，諧振梁10包括中心梁10-3、布置直流導(dǎo)線8的驅(qū)動梁10-1和布置檢測電阻的檢測梁10-2，，驅(qū)動梁10-1和檢測梁10-2兩端根部通過中心梁10-3連接，拾振電阻7中的第一參考電阻7-1和第二參考電阻7-2位于芯片周圍，第一檢測電阻7-3、第二檢測電阻7-4布置在檢測梁10-2上，四個電阻組成惠斯通電橋；直流導(dǎo)線8沿諧振梁10方向由一端驅(qū)動梁10-1接入，從另一端驅(qū)動梁10-1接出。所述激勵線圈6采用MEMS技術(shù)制作，所采用材料為鋁，其截面為矩形，截面尺寸為寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m，匝數(shù)為13 20匝。所述的諧振梁10所使用材料為二氧化硅，沿梁方向呈軸對稱結(jié)構(gòu)，中心梁10-3為兩根，尺寸相同均長800 ΙΟΟΟμπι，寬20 30μπι，厚40 50μπι，兩梁間距80 ΙΟΟμπι ;驅(qū)動梁10-1和檢測梁10-2兩部分尺寸相同，均長100 150 μ m，寬20 30 μ m，厚80 90 μ m,兩梁間距100 120 μ m,左右兩部分完全一致。所述直流導(dǎo)線8所采用材料為鋁，截面尺寸寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m。惠斯通電橋所用的拾振電阻7采用離子注入技術(shù)對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅，然后采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕P型摻雜硅，獲得構(gòu)成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻。一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片及其制備方法，包括以下步驟:I)使用HF溶液清洗雙面拋光SOI硅片，所述SOI硅片由上層單晶硅1、二氧化硅埋層2和下層單晶硅3組成，其中，二氧化硅埋層2將上層單晶硅I和下層單晶硅3隔離開；2)雙面淀積氮化硅4，淀積厚度為0.1 μ m 0.2 μ m，為后續(xù)濕法腐蝕提供掩蔽和保護；3)在SOI硅片背面光刻，刻蝕去掉背面部分區(qū)域的氮化硅4，為后面形成背腔做準備;4)采用氫氧化鉀各向異性刻蝕下層單晶硅3形成背腔，并腐蝕至二氧化硅埋層2停止;5)用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕去除位于正面的氮化硅4 ；6)采用離子注入技術(shù)對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻7，摻雜濃度為3X 1018cm_3，然后采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕P型摻雜硅得到拾振電阻7，以獲得構(gòu)成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻；7)正面鋪光刻膠5，光刻膠5的厚度為I 5 μ m ;8)刻蝕光刻膠5，形成平面線圈6、直流導(dǎo)線8、內(nèi)引線9的掩膜圖案；9)濺射沉積鋁，鋁的厚度為I 5μπι，利用剝離工藝，形成激勵線圈6、直流導(dǎo)線8、內(nèi)引線9，并去除剩余的光刻膠；10)光刻膠形成諧振梁圖案，利用反應(yīng)耦合等離子體(Inductively CoupledPlasma, ICP)刻蝕形成諧振梁10結(jié)構(gòu)；11)最后經(jīng)過劃片得到所設(shè)計的基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器的單個管芯。本發(fā)明的優(yōu)點為:因為采用了諧振式結(jié)構(gòu)用做檢測元件，在諧振狀態(tài)下工作，可以將所測得的信號放大，而不需要在后處理電路中放大，不僅起到了簡化電路的作用，而且可以取得很高的靈敏度和分辨率。


圖1為本發(fā)明諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片的諧振梁10的俯視圖。圖3為本發(fā)明諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片的受力示意圖。圖4為本發(fā)明諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片的制備工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述:參照圖1和圖2，一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，包括激勵線圈6和諧振結(jié)構(gòu)兩部分，激勵線圈6為矩形平面線圈結(jié)構(gòu)；諧振結(jié)構(gòu)由諧振梁10、直流導(dǎo)線8、拾振電阻7和惠斯通電橋連接構(gòu)成，諧振結(jié)構(gòu)位于芯片中心，激勵線圈6圍繞于諧振結(jié)構(gòu)，諧振梁10除中心梁10-3外，兩端根部按功能分為驅(qū)動梁10-1和檢測梁10-2兩部分，即布置直流導(dǎo)線8的梁為驅(qū)動梁10-1，布置檢測電阻的梁為檢測梁10-2，驅(qū)動梁10-1和檢測梁10-2兩端根部通過中心梁10-3連接，拾振電阻7中的第一參考電阻7-1和第二參考電阻7-2位于芯片周圍，第一檢測電阻7-3、第二檢測電阻7-4布置在檢測梁10-2上，四個電阻組成惠斯通電橋；直流導(dǎo)線8沿諧振梁10方向由一端驅(qū)動梁10-1接入，從另一端驅(qū)動梁10-1接出。所述激勵線圈6采用MEMS技術(shù)制作，所采用材料為鋁，其截面為矩形，截面尺寸為寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m，匝數(shù)為13 20匝。所述的諧振梁10所使用材料為二氧化硅，沿梁方向呈軸對稱結(jié)構(gòu)，中心梁10-3為兩根，尺寸相同均長800 ΙΟΟΟμπι，寬20 30μπι，厚40 50μπι，兩梁間距80 ΙΟΟμπι ;驅(qū)動梁10-1和檢測梁10-2兩部分尺寸相同，均長100 150 μ m，寬20 30 μ m，厚80 90 μ m,兩梁間距100 120 μ m,左右兩部分完全一致。所述直流導(dǎo)線8所采用材料為鋁，截面尺寸寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m。所述惠斯通電橋所用的拾振電阻7采用離子注入技術(shù)對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅，然后采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕P型摻雜硅，獲得構(gòu)成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻。本芯片的基礎(chǔ)理論為:根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當激勵線圈6由正弦信號激勵，線圈周圍空間必然產(chǎn)生一個同頻交變磁場BI，當被測導(dǎo)體靠近激勵線圈6時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場B2阻礙外磁場的變化，兩者會形成一個疊加的合磁場B3。當激勵線圈6由正弦信號激勵的同時，同頻交變磁場BI會作用于諧振結(jié)構(gòu)的諧振梁10，諧振梁10上布置有直流導(dǎo)線8，直流導(dǎo)線8上通直流電，根據(jù)安培力效應(yīng)，會在諧振梁10上產(chǎn)生垂直于交變磁場垂直方向和通電導(dǎo)線所處平面的橫向力。F=BIL由于交變磁場的影響，當正弦信號激勵的頻率與諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率相等時，會產(chǎn)生諧振。當發(fā)生諧振時，會引起檢測梁10-2上的應(yīng)力集中，這時，可以利用施加激勵電壓V的惠斯通電橋測量應(yīng)變ε造成的檢測電阻的電阻變化AR，繼而惠斯通電橋的測量電壓Vout也會產(chǎn)生變化。
其中G為靈敏系數(shù)。參照圖3，本傳感器芯片的工作原理如下:激勵線圈6上加載交流電壓，激勵線圈6會產(chǎn)生與交流電壓頻率相同的交變磁場B1，當被測導(dǎo)體靠近激勵線圈6時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，會產(chǎn)生電渦流場，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場B2阻礙外磁場的變化，引起B(yǎng)1的變化；在激勵線圈上加載交流電壓的同時，由于安培力的作用，其所產(chǎn)生的交變磁場會驅(qū)動諧振結(jié)構(gòu)中布置有通直流電的導(dǎo)線做垂直于交變磁場垂直方向和通電導(dǎo)線的方向運動，因此會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變變化，然后利用惠斯通電橋?qū)?yīng)變變化拾取，整個過程完成了將位移量轉(zhuǎn)化為磁場量，最后轉(zhuǎn)化為電信號的過程。參照圖4，一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片及其制備方法，包括以下步驟:I)參照圖4-1，使用HF溶液清洗雙面拋光SOI硅片，所述SOI硅片由上層單晶硅
1、二氧化硅埋層2和下層單晶硅3組成，其中，二氧化硅埋層2將上層單晶硅I和下層單晶硅3隔離開；2)參照圖4-2，雙面淀積氮化硅4，淀積厚度為0.1 μ m 0.2 μ m，為后續(xù)濕法腐蝕提供掩蔽和保護；3)參照圖4-3，在SOI硅片背面光刻，刻蝕去掉背面部分區(qū)域的氮化硅4，為后面形成背腔做準備；4)參照圖4-4，采用氫氧化鉀各向異性刻蝕下層單晶硅3形成背腔，并腐蝕至二氧化硅埋層2自停止；5)參照圖4-5，用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕去除位于正面的氮化硅4 ；6)參照圖4-6，采用離子注入技術(shù)對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻7，摻雜濃度為3X 1018cnT3，然后采用等離子刻蝕(Reactive 1n Etching，RIE)技術(shù)刻蝕P型摻雜硅得到拾振電阻7，以獲得構(gòu)成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻；7)參照圖4-7，正面鋪光刻膠5，光刻膠5的厚度為I 5 μ m ;8)參照圖4-8，刻蝕光刻膠5，形成平面線圈6、直流導(dǎo)線8、內(nèi)引線9的掩膜圖案；9)參照圖4-9，濺射沉積鋁，鋁的厚度為I 5μπι，利用剝離工藝，形成激勵線圈
6、直流導(dǎo)線8、內(nèi)引線9，并去除剩余的光刻膠；10)參照圖4-10，光刻膠形成諧振梁圖案，利用反應(yīng)耦合等離子體(InductivelyCoupled Plasma, ICP)刻蝕形成諧振梁10結(jié)構(gòu)；11)參照圖4-11，最后經(jīng)過劃片得到所設(shè)計的基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器的
單個管芯。擬達到的主要技術(shù)性能指標如下:籲測量量程:0 2_ ；籲誤差:1%; 工作溫度:-20 120°C ;
分辯力:0.1μπι;籲工作環(huán)境介質(zhì):空氣、油；以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書 而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，包括激勵線圈(6)和諧振結(jié)構(gòu)兩部分，其特征在于:激勵線圈(6)為矩形平面線圈結(jié)構(gòu)，諧振結(jié)構(gòu)由諧振梁(10)、直流導(dǎo)線(8)、拾振電阻(7)和惠斯通電橋連接構(gòu)成，諧振結(jié)構(gòu)位于芯片中心，激勵線圈(6)圍繞于諧振結(jié)構(gòu)，諧振梁(10)包括中心梁(10-3)、布置直流導(dǎo)線(8)的驅(qū)動梁(10-1)和布置檢測電阻的檢測梁(10-2)，，驅(qū)動梁(10-1)和檢測梁(10-2)兩端根部通過中心梁(10-3)連接，拾振電阻(7)中的第一參考電阻(7-1)和第二參考電阻(7-2)位于芯片周圍，第一檢測電阻(7-3)、第二檢測電阻(7-4)布置在檢測梁(10-2)上，四個電阻組成惠斯通電橋；直流導(dǎo)線(8)沿諧振梁(10)方向由一端驅(qū)動梁(10-1)接入，從另一端驅(qū)動梁(10-1)接出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，其特征在于:所述激勵線圈(6)采用MEMS技術(shù)制作，所采用材料為鋁，其截面為矩形，截面尺寸為寬為5 30 μ m,厚為I 5 μ m，匝數(shù)為13 20匝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，其特征在于:所述的諧振梁10所使用材料為二氧化硅，沿梁方向呈軸對稱結(jié)構(gòu)，中心梁(10-3)為兩根，尺寸相同均長800 1000 μ m，寬20 30 μ m，厚40 50 μ m，兩梁間距80 100 μ m ;驅(qū)動梁(10-1)和檢測梁(10-2)兩部分尺寸相同，均長100 150 μ m，寬20 30 μ m，厚80 90 μ m,兩梁間距100 120 μ m,左右兩部分完全一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，其特征在于:所述直流導(dǎo)線(8)所采用材料為鋁，截面尺寸寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片，其特征在于:惠斯通電橋所用的拾振電阻(7 )采用離子注入技術(shù)對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅，然后采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕P型摻雜硅，獲得構(gòu)成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻。
6.一種基于諧振式結(jié)構(gòu) 的電渦流傳感器芯片及其制備方法，其特征在于，包括以下步驟: O使用HF溶液清洗雙面拋光SOI硅片，所述SOI硅片由上層單晶硅(I)、二氧化硅埋層(2)和下層單晶硅(3)組成，其中，二氧化硅埋層(2)將上層單晶硅(I)和下層單晶硅(3)隔離開； 2)雙面淀積氮化硅(4)，淀積厚度為0.1 μ m 0.2 μ m，為后續(xù)濕法腐蝕提供掩蔽和保護； 3)在SOI硅片背面光刻，刻蝕去掉背面部分區(qū)域的氮化硅(4)，為后面形成背腔做準備; 4)采用氫氧化鉀各向異性刻蝕下層單晶硅(3)形成背腔，并腐蝕至二氧化硅埋層(2)自停止； 5)用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕去除位于正面的氮化硅(4)； 6)采用離子注入技術(shù)對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻(7)，摻雜濃度為3X IO18CnT3,然后采用等離子刻蝕(Reactive 1n Etching, RIE)技術(shù)刻蝕P型摻雜娃得到拾振電阻(7)，以獲得構(gòu)成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻； 7)正面鋪光刻膠(5)，光刻膠5的厚度為I 5μπι;8)刻蝕光刻膠(5)，形成平面線圈(6)、直流導(dǎo)線(8)、內(nèi)引線(9)的掩膜圖案； 9)濺射沉積鋁，鋁的厚度為I 5μπι，利用剝離工藝，形成激勵線圈(6)、直流導(dǎo)線(8)、內(nèi)引線(9)，并去除剩余的光刻膠； 10)光刻膠形成諧振梁圖案，利用反應(yīng)稱合等離子體(InductivelyCoupledPlasma, ICP)刻蝕形成諧振梁(10)結(jié)構(gòu)； 11)最后經(jīng)過劃片得到所 設(shè)計的基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器的單個管芯。
全文摘要
一種基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器芯片及其制備方法，芯片包括激勵線圈和諧振結(jié)構(gòu)兩部分，諧振結(jié)構(gòu)位于芯片中心，拾振電阻中的參考電阻位于芯片周圍，檢測電阻布置在檢測梁上，兩組電阻都是一端與連入惠斯通電橋，一端接地；制備方法為先清洗雙面拋光SOI硅片，淀積氮化硅，背面光刻去掉特定區(qū)域的氮化硅，然后刻蝕下層單晶硅，去除正面的氮化硅，進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻，再刻蝕光刻膠，形成平面線圈、直流導(dǎo)線、內(nèi)引線的掩膜圖案；然后濺射沉積鋁，并去除剩余的光刻膠；光刻膠形成諧振梁圖案，刻蝕形成諧振梁結(jié)構(gòu)；最后經(jīng)過劃片得到所設(shè)計的基于諧振式結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器的單個管芯，本發(fā)明實現(xiàn)對微位移、微缺陷的精確測量。
文檔編號G01B7/02GK103090779SQ20121056777
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者蔣莊德, 許煜, 趙立波, 王苑, 趙玉龍 申請人:西安交通大學(xué)