一種易於封裝的磁場傳感器的製作方法

2023-06-08 00:08:21 1

專利名稱：一種易於封裝的磁場傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感器技術領域，具體來說，涉及一種易於封裝的磁場傳感器。
背景技術：
磁場傳感器有著悠久的歷史，指南針的發明，到現在有著更加廣闊的應用領域，智能通訊、交通導航、數據存儲等都需要使用磁場傳感器。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，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工藝能夠在矽襯底上利用IC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，實現了一些MEMS微磁場傳感器的結構，如法國的 Vincent Beroulle、Laurent Latorre 通過測量壓阻的輸出檢測磁場；Beverley Eyre等人設計的扭擺式MEMS磁場傳感器，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，通過測量諧振頻率來測量磁場；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。磁場傳感器的封裝對傳感器性能有著重要的影響，由於金屬線在磁場作用下能夠受到洛侖茲力的作用，不恰當的引線可能會引起導線的相互作用，影響傳感器的性能。

發明內容
技術問題本發明所要解決的技術問題是提供一種易於封裝的磁場傳感器，該磁場傳感器封裝方便，能夠降低引線對傳感器性能的影響。技術方案為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是
一種易於封裝的磁場傳感器，該磁場傳感器包括四個懸臂梁、懸臂梁錨區、第一支撐柱、金屬層、氧化矽膜層和矽膜層，懸臂梁錨區固定在第一支撐柱的頂面；四個懸臂梁呈十字形，固定在懸臂梁錨區的側壁上；每個懸臂梁的頂面設有一圈金屬線，懸臂梁錨區和第一支撐柱中設有八個連接通孔，金屬層通過連接通孔與金屬線連接；氧化矽膜層固定在矽膜層的頂面，金屬層固定在氧化矽膜層的頂面，第一支撐柱固定在金屬層的頂面；焊盤為八個，八個焊盤位於懸臂梁的外側，焊盤和金屬層之間設有第二支撐柱，第二支撐柱中設有連接孔，金屬層通過連接孔與傳感器的焊盤連接。有益效果與現有技術相比，本發明具有以下有益效果
I.結構簡單，能同時實現磁場方向和幅度測量。本發明是用於測量磁場方向和幅度的磁場傳感器，該傳感器以襯底為平面，在襯底上方設有懸臂梁、金屬線、錨區。採用對稱結構，屬於平衡振動，振型相對比較乾淨，在相同受力的情況下會增加結構的運動位移。當該傳感器處於磁場中時，懸臂梁上金屬線受洛倫茲力的作用產生振動，在兩種不同振動形式可以測量得到懸臂梁不同磁場方向下的位移，得到不同的磁場分量，從而達到測量磁場方向的目的，進而可以測量磁場幅度。所取的測量點是梁邊緣的對於Pl對稱的1/4和3/4處，測量該兩點的值後取平均，可以消除受力引起的扭轉因素，利於測量的準確性。本發明利用金屬線加上交流信號感應出洛倫茲力來驅動懸臂梁的十字梁結構，採用對稱結構，屬於平衡振動，在相同受力的情況下會增加結構的運動位移。本發明對所測量點的位置測量可以採用光學的方法得到，也可以採用電容的方法得到。2.功耗小、靈敏度高、精度高、受溫度影響小、性能可靠。本發明利用測量不同振動下懸臂梁的位移，來測量磁場的方向。整個測量過程中電流很小，功耗低。另外，本發明將金屬線設於懸臂梁四周。這樣，在同樣的磁場條件下，懸臂梁受力最大而振動幅度也最大，因此功耗小，其靈敏度和精度較高。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，受溫度影響小。同時，本磁場傳感器中，只要有磁場和電流存在，懸臂梁就會產生振動，性能可靠。3.能減小封裝引線對傳感器的影響。傳感器上的焊盤與引線連接，焊盤設置在懸臂梁的外側，這樣，引線失效對傳感器懸臂梁不會造成影響。將傳感器結構與封裝的引線分開，能減小封裝引線對傳感器的影響，防止引線由於受到磁場力作用，引起坍塌，從而導 致與磁場傳感器表面金屬線碰撞引起短路，或者與金屬線連接後減小起作用的金屬線的長度，影響磁場傳感器的有效作用力，降低傳感器的性能。4.將與引線連接的焊盤設置在懸臂梁的外側，減小了引線的長度，能夠減小引線在磁場中受力的作用，減小功耗。5.將與引線連接的焊盤設置在懸臂梁的外側，減低了引線的高度，減小與外封裝殼接觸的風險，性能更加可靠。


圖I是本發明的俯視圖，其中，位於最外側的實線框和位於中部的實線框之間是錨區。圖2是本發明的縱向剖視圖。
圖中有連接通孔I、金屬線2、懸臂梁3、焊盤4、連接孔41、懸臂梁錨區5、第一支撐柱6、金屬層7、氧化娃膜層8、娃膜層9。
具體實施方案下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。如圖I和圖2所示，本發明的一種易於封裝的磁場傳感器，包括四個懸臂梁3、懸臂梁錨區5、第一支撐柱6、金屬層7、氧化娃膜層8和娃膜層9,懸臂梁錨區5固定在第一支撐柱6的頂面。第一支撐柱6呈柱狀，且由氧化矽製成。四個懸臂梁3呈十字形，固定在懸臂梁錨區5的側壁上；每個懸臂梁3的頂面設有一圈金屬線2，懸臂梁錨區5和第一支撐柱6中設有八個連接通孔I。每個連接通孔I中設有第一金屬柱，第一金屬柱將金屬線2的端部和金屬層7連接。氧化矽膜層8固定在矽膜層9的頂面，金屬層7固定在氧化矽膜層8的頂面。第一支撐柱6固定在金屬層7的頂面。焊盤4為八個，八個焊盤4位於懸臂梁3的外側，焊盤4和金屬層7之間設有第二支撐柱，第二支撐柱中設有連接孔41，連接孔41中設有第二金屬柱，該第二金屬柱將焊盤4與金屬層7連接。金屬層7上設有八個第一金屬柱和八個第二金屬柱。每個第一金屬柱與一個連接通孔I相配合，第一金屬柱與金屬線2連接。每個第二金屬柱與一個連接孔41相配合，第二金屬柱與焊盤4連接。焊盤4分布在傳感器結構的外側，如圖I所示，焊盤4分布在最外側的實線框和中部的實線框之間。這樣，焊接4引線的時候不足要跨接在傳感器結構的上方，這樣傳感器的結構的運動就不會受到傳感器引線的影響，不至於由於結構運動與傳感器的引線連接在一起，引起短路。同時，引線接在傳感器的外側，這樣引線的跨接高度不會太高，不會與外殼接觸，降低了封裝的要求。進一步，懸臂梁3和懸臂梁錨區5為整體式結構，且均由氮化矽製成。該磁場傳感器的工作過程是如圖I中，在傳感器中施加一個任意的正弦電流，測量橫向懸臂梁以及縱向懸臂梁上的兩點的位移。測量點為每個橫向懸臂梁邊緣或縱向懸臂梁邊緣的1/4和3/4處，即兩點相對於懸臂梁邊緣中點對稱，例如圖I中的Pl點和P2點，P3點和P4點。在橫向磁場Bh的作用下，橫向懸臂梁上的金屬線和金屬線不受力的作用，而金屬線受到洛侖茲力的作用，力的方向垂直紙面，這樣橫向懸臂梁就會產生位移，而對於縱向的磁場Bv，金屬線和金屬線受到洛侖茲力的作用，力的方向垂直紙面，且作用的方向相 反，這樣橫向懸臂梁就會發生扭轉，而金屬線不受力的作用，綜合這兩個方向磁場的作用，橫向的懸臂梁會發生扭轉以及彎曲，取橫向懸臂梁邊緣的1/4和3/4處兩點的位移相加，再平均，可以消除由於扭轉引起的不平衡運動，得到的位移僅僅是橫向懸臂梁受橫向磁場的作用。同理，縱向懸臂梁邊緣1/4和3/4處兩點的位移相加，再平均，得到的位移僅僅是縱向懸臂梁受縱向磁場的作用。由此，橫向懸臂梁的位移和縱向懸臂梁的位移為整個磁場的分量，按照正交原理，可以得到磁場的方向和幅度。在圖I中，B表不任意方向的一個磁場，Bh表不磁場水平方向的分量，Bv表不磁場垂直方向的分量。上述結構的磁場傳感器的製備過程是利用微機械加工技術矽片氧化形成氧化矽膜層8，接著濺射金屬，並圖形化，塗覆一層矽，然後濺射一層氮化矽，然後再在其表面濺射金屬Al表面並光刻形成金屬線2，最後通過腐蝕釋放結構形成懸臂梁3。金屬線2可用蒸發或電鍍的方法鍍於懸臂梁3的上表面，也可以用濺射的方法在上述位置布置金屬線2。當採用磁場力激勵方式使懸臂梁3振動時，需要在金屬線2與支撐柱6之間設有絕緣層，本例中採用氮化矽膜層為絕緣層。金屬線2的材質可以為鋁、銀等導電金屬。
權利要求
1.一種易於封裝的磁場傳感器，其特徵在於，該磁場傳感器包括四個懸臂梁(3)、懸臂梁錨區(5)、第一支撐柱(6)、金屬層(7)、氧化矽膜層(8)和矽膜層(9)，懸臂梁錨區(5)固定在第一支撐柱(6)的頂面；四個懸臂梁(3)呈十字形，固定在懸臂梁錨區(5)的側壁上；每個懸臂梁(3)的頂面設有一圈金屬線(2)，懸臂梁錨區(5)和第一支撐柱(6)中設有八個連接通孔(I)，金屬層(7)通過連接通孔(I)與金屬線(2)連接；氧化矽膜層(8)固定在矽膜層(9)的頂面，金屬層(7)固定在氧化矽膜層(8)的頂面，第一支撐柱(6)固定在金屬層(7)的頂面；焊盤(4)為八個，八個焊盤(4)位於懸臂梁(3)的外側，焊盤(4)和金屬層(7)之間設有第二支撐柱，第二支撐柱中設有連接孔(41)，金屬層(7)通過連接孔(41)與傳感器的焊盤(4)連接。
2.按照權利要求I所述的易於封裝的磁場傳感器，其特徵在於，所述的第一支撐柱(6)呈柱狀，且由氧化矽製成。
3.按照權利要求I所述的易於封裝的磁場傳感器，其特徵在於，所述的懸臂梁(3)和懸臂梁錨區(5)為整體式結構，且均由氮化矽製成。
全文摘要
本發明公開了一種易於封裝的磁場傳感器，該磁場傳感器包括四個懸臂梁、懸臂梁錨區、第一支撐柱、金屬層、氧化矽膜層和矽膜層，懸臂梁錨區固定在第一支撐柱的頂面；四個懸臂梁呈十字形，固定在懸臂梁錨區的側壁上；每個懸臂梁的頂面設有一圈金屬線，懸臂梁錨區和第一支撐柱中設有八個連接通孔，金屬層通過連接通孔與金屬線連接；氧化矽膜層固定在矽膜層的頂面，金屬層固定在氧化矽膜層的頂面，第一支撐柱固定在金屬層的頂面；焊盤為八個，八個焊盤位於懸臂梁的外側，焊盤和金屬層之間設有第二支撐柱，第二支撐柱中設有連接孔，金屬層通過連接孔與傳感器的焊盤連接。該磁場傳感器封裝方便，能夠降低引線對傳感器性能的影響。
文檔編號B81B3/00GK102759720SQ201210236890
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者秦明, 陳潔, 黃慶安 申請人:東南大學