一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器的製造方法
2024-02-11 13:23:15
一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，包括從下向上依次疊加設置的襯底、底電極層、犧牲層、金屬層和氮化矽層，犧牲層的中部和金屬層的中部均為空心，氮化矽層的中部為彎曲板，彎曲板的一側設有向外延伸的凸板，金屬層的頂面設有錨區，凸板與錨區固定連接，彎曲板位於金屬層中部的上方；彎曲板的底面設置第一電容、第二電容和第三電容，彎曲板的頂面布設有第一電容引線、第二電容引線、第三電容引線和沿彎曲板邊緣布設的金屬線；金屬線的兩端分別與一個第四焊盤連接；底電極層與金屬層連接；在氮化矽層的邊部上方設置第五焊盤，金屬層與第五焊盤連接。該磁場傳感器結構簡單，可以實現磁場方向以及幅度的測量。
【專利說明】—種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感器【技術領域】，具體來說，涉及一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]磁場傳感器有著悠久的歷史，指南針的發明到現代交通導航，磁場傳感器越來越被人重視。
[0003]從指南針的發明到現在，人類對磁場的探索和利用在不段的進行著。從十八世紀到十九世紀初，法拉第效應、磁阻效應、霍爾效應等一系列磁效應，為磁場傳感器的發展奠定了堅實的基礎。目前，大部分靜態磁場傳感器(MFS)使用靜磁力(static magneticforce)、霍爾效應(Hall-effect)、磁通量(fluxgate)、磁阻效應(magnetoresistive)或者其他半導體的磁效應來進行檢測。
[0004]隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，大大推動了 MEMS磁場傳感器的發展，出現了一些微型磁場傳感器的結構，自從集成電路工藝發明以來，特別是CMOS (英文全稱為:Complementary Metal Oxide Semiconductor,中文是:互補金屬氧化物半導體)工藝技術的問世，矽技術的大批量製造使得昂貴的設計製造成本得到了極大的降低，同時新發展的MEMS工藝能夠在娃襯底上利用IC (英文全稱為:integrated circuit,中文是:集成電路)後處理工藝製作各種機械結構，為磁場傳感器的設計開闢了新的途徑，近年來，提出了一些微型磁場傳感器的結構，如法國的Vincent Beroulle、Laurent Latorre提出的MEMS磁場傳感器，在懸臂梁與錨區附近做壓阻，通過測量壓阻的輸出檢測磁場。扭擺式MEMS磁場傳感器最早由Beverley Eyre等人提出，測量在磁場作用下受力後結構扭擺的幅度，來測量磁場的大小。R.Sunier提出的諧振式磁場傳感器，通過諧振頻率的變化來得到磁場測量的目的。另一種諧振式磁場傳感器，包括一個兩端有間隙的磁聚能器，製作的材料需要使用軟磁材料。這些磁場傳感器只能測量磁場的大小。磁場是一個矢量，所以對磁場方向信息很重要。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，該磁場傳感器結構簡單，可以實現磁場方向以及幅度的測量。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:
[0007]—種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器,該磁場傳感器包括從下向上依次疊加設置的襯底、底電極層、犧牲層、金屬層和氮化矽層，犧牲層的中部和金屬層的中部均為空心，氮化矽層的中部為彎曲板，彎曲板的一側設有向外延伸的凸板，金屬層的頂面設有錨區，凸板與錨區固定連接，彎曲板位於金屬層中部的上方，彎曲板處於懸空狀態；彎曲板的底面設置第一電容、第二電容和第三電容，彎曲板的頂面布設有第一電容引線、第二電容引線、第三電容引線和沿彎曲板邊緣布設的金屬線，彎曲板中設置有含有金屬柱的第一通孔、含有金屬柱的第二通孔、含有金屬柱的第三通孔，與凸板連接的錨區上設置有第一焊盤、第二焊盤、第三焊盤和兩個第四焊盤；第一電容通過第一通孔與第一電容引線的一端連接，第一電容引線的另一端與第一焊盤連接；第二電容通過第二通孔與第二電容引線的一端連接，第二電容引線的另一端與第二焊盤連接；第三電容通過第三通孔與第三電容引線的一端連接，第三電容引線另一端與第三焊盤連接；金屬線的兩端分別與一個第四焊盤連接；在犧牲層中設置含有金屬柱的第四通孔，底電極層通過第四通孔與金屬層連接；在氮化矽層的邊部中設置含有金屬柱的第五通孔，且在氮化矽層的邊部上方設置第五焊盤，金屬層通過第五通孔與第五焊盤連接。
[0008]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0009]1.結構簡單，能實現磁場全方向測量，同時可以實現磁場幅度的測量。本發明的微機電系統磁場傳感器，在彎曲板的底面設置第一電容、第二電容和第三電容，在彎曲板的頂面布設有第一電容引線、第二電容引線、第三電容引線和沿彎曲板邊緣布設的金屬線。當該傳感器處於磁場中時，懸臂梁上金屬線通電流後，受洛倫茲力的作用產生變形，彎曲板由於受到不同的洛倫茲力的作用產生的位移也不同，從而導致彎曲板底面電容發生變化，通過從第一電容、第二電容和第三電容變化關係從而可以得到磁場方向，同時可以得到磁場的幅度。
[0010]2.適應較寬範圍磁場強度的測量。本發明中，利用金屬線加載直流信號感應出洛倫茲力，可以方便的改變驅動信號的大小，因而能夠控制彎曲板的變形幅度，從而可以適應較寬範圍磁場強度的測量。
[0011]3.功耗小、受溫度影響小、性能可靠。本發明利用測量不同振動模式下彎曲板的位移，來測量磁場的方向。整個測量過程中所用的電流為直流電，另外，本發明將金屬線設於彎曲板的四周，在同樣的磁場條件下，彎曲板受力最大產生的位移也最大，因此功耗小。另夕卜，電容檢測受外界環境影響較小，相對熱驅動的傳感器而言，本磁場傳感器用洛倫茲力相對比較容易驅動，性能可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的結構立體圖。
[0013]圖2是圖1中的a-a剖面圖。
[0014]圖3是圖1中的b_b剖面圖。
[0015]圖中有:金屬線1、彎曲板2、第一電容3、第二電容4、第三電容5、犧牲層6、底電極層7、襯底8、金屬層9和氮化矽層10、第一焊盤31、第二焊盤41、第三焊盤51、第四焊盤11、第五焊盤71、第一電容引線32、第二電容引線42、第三電容引線52、第一通孔33、第二通孔43、第三通孔53、第四通孔73、第五通孔72。
具體實施方案
[0016]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0017]如圖1至圖3所示，本發明的一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，包括從下向上依次疊加設置的襯底8、底電極層7、犧牲層6、金屬層9和氮化矽層10。犧牲層6的中部和金屬層9的中部均為空心。也就是說，犧牲層6和金屬層9都是呈框形，中部為空的。氮化矽層10的中部為彎曲板2，彎曲板2的一側設有向外延伸的凸板，金屬層9的頂面設有錨區，凸板與錨區固定連接，彎曲板2位於金屬層9中部的上方，彎曲板2處於懸空狀態。彎曲板2與氮化矽層10的周邊不接觸，存有間隙。彎曲板2通過凸板連接在錨區上。彎曲板2的底面設置第一電容3、第二電容4、第三電容5。第一電容3、第二電容4、第三電容5均由金屬製成。彎曲板2的頂面布設有第一電容引線32、第二電容引線42、第三電容引線52和沿彎曲板2邊緣布設的金屬線I。彎曲板2中設置有含有金屬柱的第一通孔33、含有金屬柱的第二通孔43、含有金屬柱的第三通孔53。與凸板連接的錨區上設置有第一焊盤31、第二焊盤41、第三焊盤51和兩個第四焊盤11。第一電容3通過第一通孔33與第一電容引線32的一端連接，第一電容引線32的另一端與第一焊盤31連接。第二電容4通過第二通孔43與第二電容引線42的一端連接，第二電容引線42的另一端與第二焊盤41連接。第三電容5通過第三通孔53與第三電容引線52的一端連接，第三電容引線52另一端與第三焊盤51連接。金屬線I的兩端分別與一個第四焊盤11連接。在犧牲層6中設置含有金屬柱的第四通孔73。底電極層7通過第四通孔73與金屬層9連接。在氮化矽層10的邊部中設置含有金屬柱的第五通孔72，且在氮化矽層10的邊部上方設置第五焊盤71，金屬層9通過第五通孔72與第五焊盤71連接。金屬線1、第一電容引線32、第二電容引線42、第三電容引線52、第一焊盤31、第二焊盤41、第三焊盤51、第四焊盤11和第五焊盤71，均由金屬製成。
[0018]進一步，所述的第一電容3、第二電容4和第三電容5位於與彎曲板2—側的底面，該側與彎曲板2設有凸板的一側相對。第一電容3、第二電容4和第三電容5位於與凸板相對的一側，該側的彎曲程度最大，所以電容的變化也是最明顯的。這樣會增加測量的靈敏度。
[0019]進一步,所述的第一電容3、第二電容4、第三電容5位於同一條直線上,且第二電容4處於彎曲板一側的邊緣中心,第一電容3和第三電容5以第二電容4為對稱軸對稱分布。第一電容3、第二電容4、第三電容5位於同一條直線上,且第一電容3和第三電容5對稱分布。這樣三個電容彎曲和扭轉時，一些相同分量才可以抵消，留下絕對的差值，減小誤差。
[0020]進一步，為防止底電極焊盤與電容焊盤之間間距過近，產生寄生電容，影響電容測量的結果，所述的第五焊盤71位於錨區外側。作為一種優選，所述的第五焊盤71位於與錨區相對的另一側氮化矽層10上。這可以保證底電極焊盤(即第五焊盤71)與電容焊盤(SP位於錨區上的焊盤，從第一焊盤31至第四焊盤11)之間有足夠的距離，消除寄生電容，確保電容測量的準確性。
[0021]該結構的磁場傳感器工作過程是:如圖1所示，在磁場傳感器的金屬線I中施加一個任意的直流電流，測量第一電容3、第二電容4和第三電容5的電容變化。第二電容4位於彎曲板2外側對邊的中點處，第一電容3和第三電容5位於彎曲板2外側對邊的邊緣處，且第一電容3和第三電容5以第二電容4為對稱點,相互對稱。如圖1所不，金屬線I由金屬線I1、金屬線I2、金屬線13、金屬線h和金屬線I5組成，其中，金屬線I1和金屬線相互平行，且長度相等；金屬線I4和金屬線I5分別與金屬線I2平行，且金屬線I4和金屬線I5位於同一條直線上。在橫向磁場Bh的作用下,金屬線I1和金屬線I3受磁場力的作用，力的方向垂直紙面，金屬線I1的洛倫茲力Fh11=BhII1,且方向向下；金屬線I3的洛倫茲力Fh13=BhII3,且方向向上。Fh11=Fh13,表明力的大小相等但方向相反。式中，Bh為磁場的橫向分量，I為金屬線I中的電流，I1為金屬線I1的長度，I3為金屬線I3的長度。在橫向磁場Bh的作用下，金屬線I2、金屬線I4和金屬線I5不受洛侖茲力的作用，彎曲板2會發生扭轉變形，第一電容3處的向下彎曲變形量為Xh3=Fh11AJFh13ZX, Ic1為彎曲板2的扭轉係數，第三電容5處的向上彎曲變形量為Xh5=Fh11ZI^FhW以上假設金屬線I2中的電流方向為從左側流向右側，橫向磁場BH方向向右為正方向。因為第二電容4處於外側中心,第二電容4的電容不會發生變化，而第一電容3和第三電容5的電容會發生變化。這樣，彎曲板2受力以後，彎曲板2的左側會上翹，而右側會下翹，所以第一電容3和第三電容5就會分別變小和變大。因此，通過第一電容3和第三電容5的電容變化量,可以得到橫向磁場的方向。第一電容3的電
容變化量
【權利要求】
1.一種用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，其特徵在於，該磁場傳感器包括從下向上依次疊加設置的襯底(8)、底電極層(7)、犧牲層(6)、金屬層(9)和氮化矽層(10)，犧牲層(6)的中部和金屬層(9)的中部均為空心，氮化矽層(10)的中部為彎曲板(2)，彎曲板(2)的一側設有向外延伸的凸板，金屬層(9)的頂面設有錨區，凸板與錨區固定連接，彎曲板(2)位於金屬層(9)中部的上方，彎曲板(2)處於懸空狀態；彎曲板(2)的底面設置第一電容(3)、第二電容(4)和第三電容(5),彎曲板(2)的頂面布設有第一電容引線(32)、第二電容引線(42)、第三電容引線(52)和沿彎曲板(2)邊緣布設的金屬線(1)，彎曲板(2)中設置有含有金屬柱的第一通孔(33)、含有金屬柱的第二通孔(43)、含有金屬柱的第三通孔(53)，與凸板連接的錨區上設置有第一焊盤(31)、第二焊盤(41)、第三焊盤(51)和兩個第四焊盤(11);第一電容(3)通過第一通孔(33)與第一電容引線(32)的一端連接，第一電容引線(32)的另一端與第一焊盤(31)連接；第二電容(4)通過第二通孔(43)與第二電容引線(42)的一端連接，第二電容引線(42)的另一端與第二焊盤(41)連接；第三電容(5)通過第三通孔(53)與第三電容引線(52)的一端連接，第三電容引線(52)另一端與第三焊盤(51)連接；金屬線(I)的兩端分別與一個第四焊盤(11)連接；在犧牲層(6)中設置含有金屬柱的第四通孔(73)，底電極層(7)通過第四通孔(73)與金屬層(9)連接；在氮化矽層(10)的邊部中設置含有金屬柱的第五通孔(72)，且在氮化矽層(10)的邊部上方設置第五焊盤(71)，金屬層(9)通過第五通孔(72)與第五焊盤(71)連接。
2.按照權利要求1所述的用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，其特徵在於，所述的第一電容(3)、第二電容(4)和第三電容(5)位於與彎曲板(2)—側的底面，該側與彎曲板(2)設有凸板的一側相對。
3.按照權利要求2所述的用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器,其特徵在於，所述的第一電容(3)、第二電容(4)、第三電容(5)位於同一條直線上,且第二電容(4)處於彎曲板一側的邊緣中心，第一電容(3)和第三電容(5)以第二電容(4)為對稱軸對稱分布。
4.按照權利要求1、2或3所述的用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，其特徵在於，所述的第五焊盤(71)位於錨區外側。
5.按照權利要求4所述的用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器,其特徵在於，所述的第五焊盤(71)位於與錨區相對的另一側氮化矽層(10)上。
6.按照權利要求1所述的用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，其特徵在於，所述的第一電容(3)、第二電容(4)、第三電容(5)均由金屬製成。
7.按照權利要求1所述的用於測量磁場方向的微機電系統磁場傳感器，其特徵在於，所述的金屬線(I)、第一電容引線(32)、第二電容引線(42)、第三電容引線(52)、第一焊盤(31)、第二焊盤(41)、第三焊盤(51)、第四焊盤(11)和第五焊盤(71)，均由金屬製成。
【文檔編號】G01R33/028GK103472413SQ201310461005
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】陳潔, 張澄, 胡靜潔, 李嘉鵬 申請人:東南大學