一種用於強磁場測量的平面扭轉式微傳感器的製作方法
2023-04-26 23:48:16 1
本發明屬於微傳感器技術領域，具體涉及一種用於x、y方向強磁場測量的平面扭轉式微傳感器（mems）的結構設計及其製備工藝。
背景技術：
隨著世界經濟的飛速發展和世界人口的增加，人類對能源的需求也越來越大，聚變能源的開發和利用是最有希望從根本上解決人類能源問題的方法，其中基於託卡馬克裝置的磁約束聚變研究是目前最有可能實現聚變能應用的途徑之一，託卡馬克裝置實際上就是一個複雜的高溫強輻射電磁系統，它利用多種磁體線圈產生的磁場編織成一個「磁籠」，利用帶電粒子在磁場中做拉莫運動的性質，將高溫等離子體約束在「磁籠」中，並附加各類輔助加熱手段，使等離子體加熱到一定溫度，發生聚變反應。在託卡馬克之中，磁場的來源主要有約束磁場和等離子電流形成的感生磁場，而感生磁場會隨著電流的變化而變化，對其內部等離子體產生的感生磁場大小、位置、形狀的精確測量和控制是個極大挑戰。
磁場傳感器是可以將各種磁場及其變化的量轉變成電信號輸出的裝置。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。利用人工設置的永久磁體產生的磁場，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。在當今的信息社會中，磁場傳感器已成為信息技術和信息產業不可缺少的基礎原件。目前，人們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。
目前國內外用於特斯拉量級的穩態強磁場測量的傳感器極少。
曾惠等人針對腫瘤熱療發生裝置中產生的中頻強磁場設計了一種三維傳感器。這種傳感器可測量空間三坐標磁場分量，合成磁場矢量。但這裡所述的強磁場也只能達到300高斯，遠遠不能滿足託卡馬克內部強磁要求。
elinakuisma等人研究設計了一種傳感器，其靈敏度、解析度都較高，且測量磁場能達到10特斯拉。但其溫度依賴性較大，耐輻射性較差，輻射後會導致該傳感器的品質因數降低，不適合託克馬克內部高溫、強輻射的環境。
本發明主要就是針對託卡馬克複雜的內部環境設計的。既能實現強磁場的測量，也能克服託卡馬克內部惡劣的環境幹擾。
技術實現要素：
為了實現託卡馬克的強磁場下的x、y方向強磁場的測量，本發明提供一種用於強磁場測量的平面扭轉式微傳感器結構。
一種用於強磁場測量的平面扭轉式微傳感器包括依次連接的基底、傳感器本體和封蓋；
所述基底為500um厚的單面拋光晶片5，在拋光了的一面刻蝕出1.2um深的腔體，在設有腔體的拋光了的整個表面生長第一氧化矽層6；
所述傳感器本體以soi晶片1為基礎製備得到，傳感器本體分為線圈電極錨區、扭轉平面、電容電極錨區三部分；所述扭轉平面的長度方向為x方向，寬度方向為y方向，扭轉平面中部的y方向兩側分別向內凹，所述線圈電極錨區位於扭轉平面中部的y方向一側外部；所述電容電極錨區位於扭轉平面中心的y方向另一側外部；
所述soi晶片1為複合材料片，由380um厚的矽層9、1um厚的氧化矽層10和20um厚的矽材料層2組成；在扭轉平面底面的矽材料層2上依次設有第二氧化矽層3和電容上極板層4，在扭轉平面底面的氧化矽層10上設有金屬線圈11和中心電極25，所述中心電極25位於扭轉平面的中心，金屬線圈11位於中心電極25的外周；
在線圈電極錨區的氧化矽層10上設有引入電極26和引出電極12，所述引入電極26連接著金屬線圈11，所述引出電極12通過收尾金屬16連接著金屬線圈11；
在電容電極錨區的氧化矽層10上設有第一電容電極23和第二電容電極24，所述第一電容電極23穿過氧化矽層10和矽材料層2連接著雙層金屬層8；所述第二電容電極24通過電容引線27連接著中心電極25；
所述封蓋呈盒蓋狀，內表面設有納米吸氣劑層20；
所述基底、傳感器本體和封蓋通過鍵合形成內部真空的平面扭轉式微傳感器。
製備一種用於強磁場測量的平面扭轉式微傳感器的步驟如下：
（1）.在傳感器本體的soi晶片1的矽材料層2一側採用深反應離子刻蝕技術圖形化刻蝕1um深的腔體，並採用剝離技術在矽材料層2上分別圖形化生長400nm的氧化矽層3和電容上極板層4；
（2）.在基底的單面拋光晶片5的拋光了的一側上採用深反應離子刻蝕技術刻蝕1.2um深的腔體，使單面拋光晶片5呈「凹」字形狀，並在刻蝕腔體後的整個矽材料表面生長400nm厚的第一氧化矽層6，再用剝離技術在腔體內表面的第一氧化矽層6上生長電容下極板層7；在電容下極板層7上採用剝離技術生長給電容下極板層7通電的塊狀的雙層金屬層8；
（3）.在溫度200℃下，將傳感器本體的腔體一側和基底的腔體一側直接鍵合，再用反應離子刻蝕技術完全去除soi晶片1中380um厚的矽層9；
（4）.在soi晶片1的1um厚的氧化矽層10上，採用矽通孔技術（tsv）在扭轉平面的正中心打一個貫通電容上極板層4的上極板通孔14，同時打一個貫通雙層金屬層8的下極板通孔13，並在通孔壁上生長一層第三氧化矽層17，作為隔離層，防止後續通孔通電後使扭轉平面的矽板帶電，影響計算結果或產生電學幹擾；再向上極板通孔14和下極板通孔13填充金屬材料，並對氧化矽層10表面進行化學機械拋光（cmp），使表面平整；
在氧化矽層10頂面濺射生長一層鋁材料，並塗上一層光刻膠，所述光刻膠為負膠；並利用對應形狀的掩膜版使中心電極25、引入電極26、引出電極12、第一電容電極23和第二電容電極24所在的區域曝光，使曝光區域的光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鋁材料；光刻掉暴露出的鋁材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成中心電極25、引入電極26、引出電極12、第一電容電極23和第二電容電極24，得到具有電極的氧化矽層10；所述對應形狀的掩膜版為只露出中部中心電極、引入電極26、引出電極12、第一電容電極23、第二電容電極24，其他區域遮擋；
在具有電極的的氧化矽層10的整個頂面濺射生長一層500nm厚的鉬材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使金屬線圈11所在區域曝光，使曝光區域部分光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鉬材料；光刻掉暴露出的鉬材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成金屬線圈11；得到具有電極、金屬線圈11的氧化矽層10；
（5）.在具有電極、金屬線圈11的氧化矽層10的頂面採用磁控濺射生長一層氧化鋁材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使局部起隔離作用的氧化鋁15所在區域曝光，使曝光區域部分光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出氧化鋁材料；光刻掉暴露出的氧化鋁材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成起隔離作用的氧化鋁15；得到具有電極、金屬線圈11和氧化鋁15的氧化矽層10；
在具有電極、金屬線圈11和氧化鋁15的氧化矽層10的頂面濺射生長一層鉬材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使收尾金屬16所在區域曝光，使這部分光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鉬材料；光刻掉暴露出的鉬材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成收尾金屬16；
在具有電極、金屬線圈11、氧化鋁15和收尾金屬16的氧化矽層10的頂面濺射生長一層鋁材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使電容引線27所在區域曝光，使這部分光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鋁材料；光刻掉暴露出的鋁材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成電容引線27；
（6）.釋放結構，使線圈電極錨區、扭轉平面、電容電極錨區三部分結構分離形成獨立區域，構成平面扭轉式微傳感器的傳感器本體結構；
（7）.在封蓋的矽片18上用深反應離子刻蝕技術刻蝕腔體，腔體為「凹」字形狀，再用剝離技術在「凹」字形狀的腔體的兩側凸邊的矽材料表面生長一層第四氧化矽層19，在封蓋的腔體內表面採用化學氣象沉積（cvd）法在矽基上製備大面積均勻的納米管材料（cnts）；再用直流磁控濺射生長一層200nm厚的ti薄膜來製備納米吸氣劑層20，製成封蓋；將封蓋與所述傳感器本體結構在溫度200℃下直接鍵合，形成完整的封閉真空環境下的平面扭轉式微傳感器。
進一步限定的技術方案如下：
步驟（2）中，所述雙層金屬層8的材料為一層100nm厚的鋁和一層700nm厚的鉬組成，其中鋁材料一側與soi晶片1的矽材料層2一側相鄰，鉬材料一側與電容下極板層7相鄰；以使得雙金屬層8在起到支撐、導電作用的同時，與soi晶片1的矽材料形成歐姆接觸，即不產生明顯的附加阻抗，使得在工作時大部分的電壓降在活動區而不再接觸區。採用鉬、鋁這樣的雙金屬層8可防止鋁成堆化生長，防止表面沒有光滑的形態，從而不具有良好的歐姆接觸。
步驟（4）中，所述金屬材料為銅，因為相較於鋁及鋁合金，銅具有低電阻率和優越的抗電遷徙性能。
步驟（7），所述採用化學氣象沉積（cvd）法中，以10nm厚的氧化鋁膜和2nm厚的鐵膜為催化劑，以81sccm的乙炔（c2h2）為碳源，以566sccm的氬氣（ar）和202sccm的氫氣（h2）為載氣。
本發明的有益技術效果體現在以下方面：
1.在生長氧化矽層3和電容上極板層4時，為防止後續晶片鍵合時表面鋁雜質的混雜，採用兩次剝離技術。
2.傳感器本體和基底鍵合後，電容上極板4和電容下極板7之間的垂直間距很小，因此，之後的工藝都需要在溫度250℃以下進行。
附圖說明
圖1是一種測量x方向磁場的平面扭轉式mems結構的三維示意圖。
圖2是一種測量y方向磁場的平面扭轉式mems結構的三維示意圖。
圖3是圖1中件16和件12連線三維示意圖。
圖4是圖1中件25和件24連線三維示意圖。
圖5是該結構a向剖面的工藝步驟（1）示意圖。
圖6是該結構a向剖面的工藝步驟（2）示意圖。
圖7是該結構a向剖面的工藝步驟（3）示意圖。
圖8是該結構a向剖面的工藝步驟（4）示意圖。
圖9是該結構a向剖面的工藝步驟（5）示意圖。
圖10是該結構a向剖面的工藝步驟（6）示意圖。
圖11是該結構a向剖面的工藝步驟（7）示意圖。
上圖中序號：soi晶片1、矽材料層2、第二氧化矽層3、電容上級板層4、單面拋光晶片5、第一氧化矽層6、電容下極板層7、雙層金屬層8、矽層9、氧化矽層10、金屬線圈11、引出電極12、下極板通孔13、上極板通孔14、氧化鋁15、收尾金屬16、第三氧化矽層17、矽片18、第四氧化矽層19、納米吸氣劑層20、第一電容電極23、第二電容電極24、中心電極25、引入電極26、電容引線27。
具體實施方式
下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地說明。
實施例1
一種用於強磁場測量的平面扭轉式微傳感器包括依次連接的基底、傳感器本體和封蓋。
基底為500um厚的單面拋光晶片5，在拋光一面設有1.2um深的腔體，在設有腔體的拋光了的整個表面設有第一氧化矽層6；
參見圖1，傳感器本體以soi晶片1為基礎製備得到，傳感器本體分為線圈電極錨區、扭轉平面、電容電極錨區三部分；所述扭轉平面的長度方向為x方向，寬度方向為y方向，扭轉平面中部的y方向兩側分別向內凹，所述線圈電極錨區位於扭轉平面中部的y方向一側外部；所述電容電極錨區位於扭轉平面中心的y方向另一側外部；
參見圖1，soi晶片1為複合材料片，由380um厚的矽層9、1um厚的氧化矽層10和20um厚的矽材料層2組成；在扭轉平面底面的矽材料層2上依次設有第二氧化矽層3和電容上極板層4，在扭轉平面底面的氧化矽層10上設有金屬線圈11和中心電極25，所述中心電極25位於扭轉平面的中心，金屬線圈11位於中心電極25的外周；
參見圖3，在線圈電極錨區的氧化矽層10上設有引入電極26和引出電極12，所述引入電極26連接著金屬線圈11，所述引出電極12通過收尾金屬16連接著金屬線圈11；
參見圖4，在電容電極錨區的氧化矽層10上設有第一電容電極23和第二電容電極24，所述第一電容電極23穿過氧化矽層10和矽材料層2連接著雙層金屬層8；所述第二電容電極24通過電容引線27連接著中心電極25；
封蓋呈盒蓋狀，內表面設有納米吸氣劑層20；
基底、傳感器本體和封蓋通過鍵合形成內部真空的平面扭轉式微傳感器。
本發明的工作原理說明如下：
引入電極26接正極，引出電極12接負極，以給金屬線圈11通入隨某一頻率變化的交變電流i。給第二電容電極24通入電壓v1，通過電容引線27、中心電極25、上極板通孔14使得電容上極板帶有v1的電壓。給第一電容電極23通入電壓v2，通過下極板通孔13、兩層金屬層8使得電容下極板帶有v2的電壓。從而在電容上極板和電容下極板之間形成電壓差。
當出現x方向磁場時，扭轉平面上與y軸平行的這些金屬線圈11會受到+z或-z方向的洛倫茲力的作用，並有拖動扭轉平面往金屬線圈11受力方向運動的趨勢。按照洛倫茲力的左手定則判定方法來判定主體所受洛倫茲力的方向。其中，判定方法為：磁場從左手手心穿過，四指指向表示金屬線上交變電流的方向，大拇指指向則表示主體所受洛倫茲力的方向。洛倫茲力大小可表示為f＝ibl，其中，l表示每根與y軸平行的金屬線圈11在y方向的長度，器件製備完成後，每一根金屬線在y方向的長度就為定值，b為所要測量的磁場值，i為金屬線圈11上的交變電流，由於i值隨某一頻率交替變化，故洛倫茲力大小也隨這一頻率交替變化。由於相對於扭轉平面x方向的左側上的與y軸平行的金屬線圈11上交變電流的流向與右側上的與y軸平行的金屬線圈11上交變電流的流向相反，故所受洛倫茲力方向也相反。即相對於扭轉平面的x方向的左側上的與y軸平行的每根金屬線圈11都受大小相等方向相同的隨某一頻率交替變化的洛倫茲力作用，相對於扭轉平面的x方向的右側上的與y軸平行的每根金屬線圈11也受大小相等方向相同的隨某一頻率交替變化的洛倫茲力作用，且左側和右側金屬線圈所受洛倫茲力方向相反。
故扭轉平面在洛倫茲力的作用下以雙端固支梁為軸隨某一頻率在z方向上交替扭轉。當扭轉平面在z方向上扭轉某一角度使平面發生傾斜形變，使得電容上極板不再與電容下極板平行時，電容值也將發生變化，不再是最初時平行電容板的初始值。通過理論建立起扭轉平面上的電容上極板形變後與電容下極板之間的電容值與磁場b的關係，因此通過藉助外部設備測量非平行電容值就可推算出所處環境中的x方向磁場分量大小。
對於y方向磁場分量的測量也是一樣的原理。
實施例2
製備用於強磁場測量的平面扭轉式微傳感器的步驟如下：
（1）.在傳感器本體的soi晶片1的矽材料層2一側採用深反應離子刻蝕技術圖形化刻蝕1um深的腔體，並採用剝離技術在腔體內表面上分別圖形化生長400nm的第二氧化矽層3和電容上極板層4。電容上極板層4材料為鋁材料。
（2）.在基底的單面拋光晶片5上採用深反應離子刻蝕技術刻蝕1.2um深的腔體，使單面拋光晶片5呈「凹」字形狀，並在刻蝕腔體後的拋光了的整個矽材料表面生長400nm厚的第一氧化矽層6，再用剝離技術在腔體內表面的第一氧化矽層6上生長鋁材料作為電容下極板層7；在腔體外凸起的第一氧化矽層6上採用剝離技術生長給電容下極板層7通電的塊狀的雙層金屬層8，其中所述雙層金屬層8的材料為一層100nm厚的鋁和一層700nm厚的鉬組成，其中鋁材料一側與soi晶片1的矽材料層2一側相鄰，鉬材料一側與電容下極板層7相鄰；以使得雙金屬層8在起到支撐、導電作用的同時，與soi晶片1的矽材料形成歐姆接觸，即不產生明顯的附加阻抗，使得在工作時大部分的電壓降在活動區而不再接觸區。採用鉬、鋁這樣的雙金屬層8可防止鋁成堆化生長，防止表面沒有光滑的形態，從而防止不具有良好的歐姆接觸。
（3）.在溫度200℃下，將傳感器本體的腔體一側和基底的腔體一側直接鍵合，再用反應離子刻蝕技術完全去除soi晶片1中380um厚的矽層9。
（4）.在soi晶片1的1um厚的氧化矽層10上，採用矽通孔技術（tsv）在扭轉平面的正中心打一個貫通電容上極板層4的上極板通孔14，同時打一個貫通雙層金屬層8的下極板通孔13，並在通孔壁上生長一層第三氧化矽17，作為隔離層，防止後續通孔通電後使扭轉平面的矽板帶電，影響計算結果或產生電學幹擾；再向上極板通孔14和下極板通孔13填充金屬材料，金屬材料為銅，因為相較於鋁及鋁合金，銅具有低電阻率和優越的抗電遷徙性能，並對氧化矽層10表面進行化學機械拋光（cmp），使表面平整；
在氧化矽層10頂面濺射生長一層鋁材料，並塗上一層光刻膠，所述光刻膠為負膠；並利用對應形狀的掩膜版使中心電極25、引入電極26、引出電極12、第一電容電極23和第二電容電極24所在的區域曝光，使曝光區域的光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鋁材料；光刻掉暴露出的鋁材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成中心電極25、引入電極26、引出電極12、第一電容電極23和第二電容電極24，得到具有電極的氧化矽層10；所述對應形狀的掩膜版為只露出中部中心電極、引入電極26、引出電極12、第一電容電極23、第二電容電極24，其他區域遮擋；
在具有電極的的氧化矽層10的整個頂面濺射生長一層500nm厚的鉬材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使金屬線圈11所在區域曝光，使曝光區域光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鉬材料；光刻掉暴露出的鉬材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成金屬線圈11；得到具有電極、金屬線圈11的氧化矽層10。
（5）.在具有電極、金屬線圈11的氧化矽層10的頂面採用磁控濺射生長一層氧化鋁材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使局部起隔離作用的氧化鋁15所在區域曝光，使曝光區域光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出氧化鋁材料；光刻掉暴露出的氧化鋁材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成起隔離作用的氧化鋁15；得到具有電極、金屬線圈11和氧化鋁15的氧化矽層10；
在具有電極、金屬線圈11和氧化鋁15的氧化矽層10的頂面濺射生長一層鉬材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使收尾金屬16所在區域曝光，使這部分光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鉬材料；光刻掉暴露出的鉬材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成收尾金屬16；
在具有電極、金屬線圈11、氧化鋁15和收尾金屬16的氧化矽層10的頂面濺射生長一層鋁材料，並塗上一層光刻膠；利用對應形狀的掩膜版使電容引線27所在區域曝光，使這部分光刻膠更加難溶於顯影液；將soi晶片1放入顯影液中，在顯影液的作用下使未曝光區域的光刻膠溶解，使光刻膠圖形化，暴露出鋁材料；光刻掉暴露出的鋁材料，在丙酮溶液中去除曝光區域的光刻膠，形成電容引線27。
（6）.釋放結構，使線圈電極錨區、扭轉平面、電容電極錨區三部分結構分離形成獨立區域，構成平面扭轉式微傳感器的傳感器本體結構。
（7）.在封蓋的矽片18上用深反應離子刻蝕技術刻蝕腔體，使矽片18為「凹」字形狀，再用剝離技術在「凹」字形狀的腔體的兩側凸邊的矽材料表面生長一層第四氧化矽層19，在封蓋的腔體內表面以10nm厚的氧化鋁膜和2nm厚的鐵膜為催化劑，以81sccm的乙炔（c2h2）為碳源，以566sccm的氬氣（ar）和202sccm的氫氣（h2）為載氣，採用化學氣象沉積（cvd）法在矽基上製備大面積均勻的納米管材料；其中，納米吸氣劑性能與催化劑材料表面積無關，只與膜厚有關，且sccm為氣體質量流量單位，表示每分鐘標準毫升；再用直流磁控濺射生長一層200nm厚的ti薄膜來製備納米吸氣劑層20，製成封蓋；將封蓋與所述傳感器本體結構在溫度200℃下直接鍵合，形成完整的封閉真空環境下的平面扭轉式微傳感器。