一種雙扭擺式微機電磁場傳感器的製造方法

2023-10-07 21:21:24 1

一種雙扭擺式微機電磁場傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙扭擺式微機電磁場傳感器，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，氮化矽層的頂面設有錨區，錨區一邊設有第二焊盤、第四焊盤和兩個第五焊盤，錨區另一邊設有第一焊盤、第三焊盤、第十焊盤和兩個第六焊盤；氮化矽層的中部設有第一扭擺梁，第一扭擺梁通過兩個第一支撐梁與錨區固定連接；第一扭擺梁的內側設有第二扭擺梁；第一扭擺梁邊緣和第二扭擺梁邊緣布設有第一驅動金屬線和第二驅動金屬線；第一扭擺梁的底面設有第一電容和第二電容；第二扭擺梁的底面設有第三電容和第四電容。該磁場傳感器可以測量磁場幅度及角度，且該磁場傳感器結構簡單。
【專利說明】一種雙扭擺式微機電磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感器【技術領域】,具體來說，涉及一種雙扭擺式微機電磁場傳感器。
【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]磁場傳感器與我們的生活息息相關，自然界和人類社會生活的許多地方都存在磁場或與磁場相關的信息。利用人工設置的永磁體產生的磁場，可作為許多種信息的載體。因此，探測、採集、存儲、轉換、復現和監控各種磁場和磁場中承載的各種信息的任務，自然就落在磁場傳感器身上。已研製出利用各種物理、化學和生物效應的磁傳感器，並已在科研、生產和社會生活的各個方面得到廣泛應用，承擔起探究種種信息的任務。
[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，同時新發展的MEMS工藝能夠在矽襯底上利用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VincentBeroulle、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。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:提供一種雙扭擺式微機電磁場傳感器，該磁場傳感器可以測量磁場幅度及角度，且該磁場傳感器結構簡單。
[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:
一種雙扭擺式微機電磁場傳感器，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、底電極層、犧牲層、金屬層和氮化矽層，犧牲層、金屬層和氮化矽層均為中空結構，氮化矽層的頂面設有錨區，錨區一邊設有第二焊盤、第四焊盤和兩個第五焊盤，錨區另一邊設有第一焊盤、第三焊盤、第十焊盤和兩個第六焊盤；氮化矽層的中部設有第一扭擺梁，第一扭擺梁通過兩個第一支撐梁與錨區固定連接，第一扭擺梁和第一支撐梁處於懸空狀態；第一扭擺梁的內側設有第二扭擺梁，第二扭擺梁通過兩個第二支撐梁與第一扭擺梁的內壁固定連接，第二扭擺梁和第二支撐梁處於懸空狀態；第一扭擺梁邊緣和第二扭擺梁邊緣布設有第一驅動金屬線和第二驅動金屬線；第一扭擺梁的底面設有第一電容和第二電容，第一扭擺梁的頂面設有第一電容引線和第二電容引線；第二扭擺梁的底面設有第三電容和第四電容，第二扭擺梁的頂面和第一扭擺梁的頂面設有第三電容引線和第四電容引線；第一扭擺梁中設有含金屬柱的第一通孔和含金屬柱的第二通孔，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；第二扭擺梁中設有含金屬柱的第三通孔和含金屬柱的第四通孔，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；第四電容通過第四通孔與第四電容引線一端連接，第四電容引線另一端與第四焊盤連接；第一驅動金屬線的兩端分別與一個第五焊盤連接，第一扭擺梁上設有含金屬柱的第五通孔和含金屬柱的第六通孔，第一驅動金屬線的第一中間端通過第五通孔的金屬柱與第一連接線的一端連接，第一驅動金屬線的第二中間端通過第六通孔的金屬柱與第一連接線另一端連接；第二驅動金屬線的兩端分別與一個第六焊盤連接，第一扭擺梁上設有含金屬柱的第七通孔和含金屬柱的第八通孔，第二驅動金屬線的第三中間端通過第七通孔的金屬柱與第二連接線的一端連接，第二驅動金屬線的第四中間端通過第八通孔的金屬柱與第二連接線的另一端連接；犧牲層中設有含有金屬柱的第九通孔，氮化矽層中設有含金屬柱的第十通孔，底電極層通過第九通孔、金屬層和第十通孔與第七焊盤連接。
[0007]進一步，所述的第一電容和第二電容位於第一扭擺梁相對的兩條邊上，第一電容和第二電容均不與第一支撐梁連接在第一扭擺梁的同一邊上。
[0008]進一步，所述的第一電容和第二電容位於第一扭擺梁的底面邊緣中心，第一電容和第二電容處於同一條直線上,且對稱分布。
[0009]進一步，所述的第三電容和第四電容位於第二扭擺梁相對的兩條邊上，第三電容和第四電容均不與第二支撐梁連接在第二扭擺梁的同一邊上。
[0010]進一步，所述的第三電容和第四電容位於第二扭擺梁的底面邊緣中心，第三電容和第四電容處於同一條直線上，且對稱分布。
[0011]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
1.結構簡單，可以實現磁場幅度和角度的測量。本發明的雙扭擺式的微機電磁場傳感器，利用兩個扭擺結構能分別感應相互垂直的磁場作用，這樣可以實現兩個磁場方向運動幅度可以比擬，通過從第一電容、第二電容、第三電容和第四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。
[0012]2.功耗小、性能可靠。本發明利用測量兩個扭擺梁的位移，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，本發明將金屬線布設避免了相互作用力的抵消，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。另外，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】
[0013]圖1是本發明的結構示意圖。
[0014]圖2是圖1中的a-a剖面圖。
圖3是圖1中的b-b剖面圖。
[0015]圖4是圖1中的c-c剖面圖。
[0016]圖5是圖1中的d-d剖面圖。
[0017]圖6是圖1中的e-e剖面圖。
[0018]圖7是圖1中的f_f剖面圖。[0019]圖中有:第一扭擺梁1、第一支撐梁2、第二扭擺梁3、第二支撐梁4、第一電容5、第二電容6、第三電容7、第四電容8、第一驅動金屬線9、第二驅動金屬線10、底電容11、襯底12、底電極層13、犧牲層14、金屬層15、氮化矽層16、錨區17、第三中間端18、第四中間端19、第一中間端20、第二中間端21、第一連接線22、第二連接線23、第一電容引線51、第二電容引線61、第三電容引線71、第四電容引線81、第一焊盤52、第二焊盤62、第三焊盤72、第四焊盤82、第五焊盤92、第六焊盤102、第七焊盤112、第一通孔53、第二通孔63、第三通孔73、第四通孔83、第五通孔93、第六通孔94、第七通孔103、第八通孔104、第七焊盤112、第十通孔113、第九通孔114。
具體實施方案
[0020]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0021]如圖1至圖7所示，本發明的一種雙扭擺式微機電磁場傳感器，包括從下向上依次疊加設置的襯底12、底電極層13、犧牲層14、金屬層15和氮化娃層16。犧牲層14、金屬層15和氮化矽層16均為中空結構。氮化矽層16的頂面設有錨區17。錨區17 —邊設有第二焊盤62、第四焊盤82和兩個第五焊盤92，錨區17另一邊設有第一焊盤52、第三焊盤72、第十焊盤112和兩個第六焊盤102。氮化矽層16的中部設有第一扭擺梁I。第一扭擺梁I通過兩個第一支撐梁2與錨區17固定連接。第一扭擺梁I和第一支撐梁2處於懸空狀態。第一扭擺梁I的內側設有第二扭擺梁3，第二扭擺梁3通過兩個第二支撐梁4與第一扭擺梁I的內壁固定連接。第二扭擺梁3和第二支撐梁4處於懸空狀態。第一扭擺梁I邊緣和第二扭擺梁2邊緣布設有第一驅動金屬線9和第二驅動金屬線10。第一扭擺梁I的底面設有第一電容5和第二電容6。第一扭擺梁I的頂面設有第一電容引線51和第二電容引線61。第二扭擺梁3的底面設有第三電容7和第四電容8，第二扭擺梁3的頂面和第一扭擺梁I的頂面設有第三電容引線71和第四電容引線81。第一扭擺梁I中設有含金屬柱的第一通孔53和含金屬柱的第二通孔63,第一電容5通過第一通孔53與第一電容引線51的一端連接，第一電容引線51的另一端與第一焊盤52連接。第二電容6通過第二通孔63與第二電容引線61的一端連接，第二電容引線61的另一端與第二焊盤62連接。第二扭擺梁3中設有含金屬柱的第三通孔73和含金屬柱的第四通孔83，第三電容7通過第三通孔73與第三電容引線71的一端連接，第三電容引線71另一端與第三焊盤72連接。第四電容8通過第四通孔83與第四電容引線81—端連接，第四電容引線81另一端與第四焊盤82連接；第一驅動金屬線9的兩端分別與一個第五焊盤92連接，
第一扭擺梁I上設有含金屬柱的第五通孔93和含金屬柱的第六通孔94,第一驅動金屬線9的第一中間端20通過第五通孔93的金屬柱與第一連接線22的一端連接，第一驅動金屬線9的第二中間端21通過第六通孔94的金屬柱與第一連接線22另一端連接。第二驅動金屬線10的兩端分別與一個第六焊盤102連接，第一扭擺梁I上設有含金屬柱的第七通孔103和含金屬柱的第八通孔104，第二驅動金屬線10的第三中間端18通過第七通孔103的金屬柱與第二連接線23的一端連接，第二驅動金屬線10的第四中間端19通過第八通孔104的金屬柱與第二連接線23的另一端連接。犧牲層14中設有含有金屬柱的第九通孔114，氮化矽層16中設有含金屬柱的第十通孔113，底電極層13通過第九通孔114、金屬層15和第十通孔113與第七焊盤112連接。[0022]進一步，所述的第一電容5和第二電容6位於第一扭擺梁I相對的兩條邊上，第一電容5和第二電容6均不與第一支撐梁2連接在第一扭擺梁I的同一邊上。這樣兩個電容分布，在橫向磁場作用下發生扭轉時，電容所處的位置扭轉位移最大，這樣電容的變化也最大，提高橫向磁場測量的靈敏度。
[0023]進一步，所述的第一電容5和第二電容6位於第一扭擺梁I的底面邊緣中心，第一電容5和第二電容6處於同一條直線上,且對稱分布。這樣兩個電容對稱分布，在橫向磁場作用下發生扭轉時，一些相同分量才可以抵消，留下絕對的差值，減小誤差。
[0024]進一步，所述的第三電容7和第四電容8位於第二扭擺梁3相對的兩條邊上，第三電容7和第四電容8均不與第二支撐梁4連接在第二扭擺梁3的同一邊上。這樣兩個電容分布，在縱向磁場作用下發生扭轉時，電容所處的位置扭轉位移最大，這樣電容的變化也最大，提高縱向此處測量的靈敏度。
[0025]進一步，所述的第三電容7和第四電容8位於第二扭擺梁3的底面邊緣中心，第三電容7和第四電容8處於同一條直線上,且對稱分布。這樣兩個電容對稱分布，在縱向磁場作用下發生扭轉時，一些相同分量才可以抵消，留下絕對的差值，減小誤差。進一步，為減小驅動金屬線在第一扭擺梁I和第二扭擺梁3之間相互作用，所述的驅動金屬線在兩個扭擺梁中儘量處於相對較遠的位置，這樣就能使電容所處的位置位移儘可能大，提高靈敏度。
[0026]該結構的磁場傳感器工作過程是:如圖1所示，在磁場傳感器的第一驅動金屬線
9、第二驅動金屬線10中施加一個任意的直流電流，在磁場作用下，結構會發生變形，測量第一電容5、第二電容6、第三電容7和第四電容8的電容變化。第一電容5和第二電容6位於第一扭擺梁I的底面邊緣中心，第一電容5和第二電容6處於同一條直線上,且對稱分布。在橫向磁場Bh (Bh為磁場的橫向分量)的作用下,第一驅動金屬線9和第二驅動金屬線10中(假設電流是順時針方向)就會受磁場力的作用，第一電容5在第一扭擺梁I所處的位置就會向下彎曲，電容變小，第二電容6在第一扭擺梁I所處的位置就會向上彎曲，電容變大。由於第三電容7和第四電容8處於第二扭擺梁3外側中心，電容不會發生變化。這樣可以得到第一電容5和第二電容6變化的絕對值是相等的，由電容變化可以得到彎曲量，進而可以根據第一扭擺梁I的扭轉係數，得到第一扭擺梁I的受力從而得到橫向磁場Bh的值。並且，通過第一電容5和第二電容6的電容變化量,可以得到橫向磁場的方向。
[0027]同樣，第三電容7和第四電容8位於第二扭擺梁3的底面邊緣中心，第三電容7和第四電容8處於同一條直線上,且對稱分布。在縱向磁場Bv (Bv為磁場的橫向分量)的作用下，第一驅動金屬線9和第二驅動金屬線10中(假設電流是順時針方向)就會受磁場力的作用，第四電容8在第二扭擺梁3所處的位置就會向下彎曲，電容變小，第三電容7在第二扭擺梁3所處的位置就會向上彎曲，電容變大。這樣可以得到第三電容7和第四電容8變化的絕對值是相等的，電容變化可以得到彎曲量，進而可以根據第二扭擺梁3的扭轉係數，得到第二扭擺梁3的受力從而得到縱向磁場Bv的值。並且，通過第三電容7和第四電容8的電容變化量，可以得到縱向磁場的方向。這樣可以得到磁場方向和大小。
【權利要求】
1.一種雙扭擺式微機電磁場傳感器，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(12)、底電極層(13)、犧牲層(14)、金屬層(15)和氮化矽層(16)，犧牲層(14)、金屬層(15)和氮化娃層(16)均為中空結構， 氮化矽層(16)的頂面設有錨區(17)，錨區(17)—邊設有第二焊盤(62)、第四焊盤(82)和兩個第五焊盤(92)，錨區(17)另一邊設有第一焊盤(52)、第三焊盤(72)、第十焊盤(112)和兩個第六焊盤(102);氮化矽層(16)的中部設有第一扭擺梁(1)，第一扭擺梁(I)通過兩個第一支撐梁(2)與錨區(17)固定連接，第一扭擺梁(I)和第一支撐梁(2)處於懸空狀態；第一扭擺梁(I)的內側設有第二扭擺梁(3)，第二扭擺梁(3)通過兩個第二支撐梁(4)與第一扭擺梁(I)的內壁固定連接，第二扭擺梁(3)和第二支撐梁(4)處於懸空狀態；第一扭擺梁(I)邊緣和第二扭擺梁(2)邊緣布設有第一驅動金屬線(9)和第二驅動金屬線(10);第一扭擺梁(I)的底面設有第一電容(5)和第二電容(6)，第一扭擺梁(I)的頂面設有第一電容引線(51)和第二電容引線(61);第二扭擺梁(3)的底面設有第三電容(7)和第四電容(8)，第二扭擺梁(3)的頂面和第一扭擺梁(I)的頂面設有第三電容引線(71)和第四電容引線(81);第一扭擺梁(I)中設有含金屬柱的第一通孔(53)和含金屬柱的第二通孔(63)，第一電容(5)通過第一通孔(53)與第一電容引線(51)的一端連接，第一電容引線(51)的另一端與第一焊盤(52)連接；第二電容(6)通過第二通孔(63)與第二電容引線(61)的一端連接，第二電容引線(61)的另一端與第二焊盤(62)連接；第二扭擺梁(3)中設有含金屬柱的第三通孔(73)和含金屬柱的第四通孔(83)，第三電容(7)通過第三通孔(73)與第三電容引線(71)的一端連接，第三電容引線(71)另一端與第三焊盤(72)連接；第四電容(8)通過第四通孔(83)與第四電容引線(81)—端連接，第四電容引線(81)另一端與第四焊盤(82)連接；第一驅動金屬線(9)的兩端分別與一個第五焊盤(92)連接， 第一扭擺梁(I)上設有含金屬柱的第五通孔(93)和含金屬柱的第六通孔(94)，第一驅動金屬線(9)的第一中間端.(20)通過第五通孔(93)的金屬柱與第一連接線(22)的一端連接，第一驅動金屬線(9)的第二中間端(21)通過第六通孔(94)的金屬柱與第一連接線(22)另一端連接；第二驅動金屬線(10)的兩端分別與一個第六焊盤(102)連接，第一扭擺梁(I)上設有含金屬柱的第七通孔(103)和含金屬柱的第八通孔(104)，第二驅動金屬線(10)的第三中間端(18)通過第七通孔(103)的金屬柱與第二連接線(23)的一端連接，第二驅動金屬線(10)的第四中間端(19)通過第八通孔(104)的金屬柱與第二連接線(23)的另一端連接；犧牲層(14)中設有含有金屬柱的第九通孔(114)，氮化矽層(16)中設有含金屬柱的第十通孔(113)，底電極層(13)通過第九通孔(114)、金屬層(15)和第十通孔(113)與第七焊盤(112)連接。
2.按照權利要求1所述的雙扭擺式微機電磁場傳感器，其特徵在於，所述的第一電容(5)和第二電容(6)位於第一扭擺梁(I)相對的兩條邊上，第一電容(5)和第二電容(6)均不與第一支撐梁(2 )連接在第一扭擺梁(I)的同一邊上。
3.按照權利要求2所述的雙扭擺式微機電磁場傳感器，其特徵在於，所述的第一電容(5)和第二電容(6)位於第一扭擺梁(I)的底面邊緣中心，第一電容(5)和第二電容(6)處於同一條直線上，且對稱分布。
4.按照權利要求1所述的雙扭擺式微機電磁場傳感器，其特徵在於，所述的第三電容(7)和第四電容(8)位於第二扭擺梁(3)相對的兩條邊上，第三電容(7)和第四電容(8)均不與第二支撐梁(4)連接在第二扭擺梁(3)的同一邊上。
5.按照權利要求4所述的雙扭擺式微機電磁場傳感器，其特徵在於，所述的第三電容(7)和第四電容(8)位於第二扭擺梁(3)的底面邊緣中心，第三電容(7)和第四電容(8)處於同一條直線上， 且對稱分布。
【文檔編號】G01R33/02GK103472410SQ201310455985
【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, 梁秋實, 周志浩, 薛銘豪, 景晟 申請人:東南大學