CN103472413A - 一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的衬底、底电极层、牺牲层、金属层和氮化硅层，牺牲层的中部和金属层的中部均为空心，氮化硅层的中部为弯曲板，弯曲板的一侧设有向外延伸的凸板，金属层的顶面设有锚区，凸板与锚区固定连接，弯曲板位于金属层中部的上方；弯曲板的底面设置第一电容、第二电容和第三电容，弯曲板的顶面布设有第一电容引线、第二电容引线、第三电容引线和沿弯曲板边缘布设的金属线；金属线的两端分别与一个第四焊盘连接；底电极层与金属层连接；在氮化硅层的边部上方设置第五焊盘，金属层与第五焊盘连接。该磁场传感器结构简单，可以实现磁场方向以及幅度的测量。

Description

一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器。

背景技术

磁场传感器有着悠久的历史，指南针的发明到现代交通导航，磁场传感器越来越被人重视。

从指南针的发明到现在，人类对磁场的探索和利用在不段的进行着。从十八世纪到十九世纪初，法拉第效应、磁阻效应、霍尔效应等一系列磁效应，为磁场传感器的发展奠定了坚实的基础。目前，大部分静态磁场传感器(MFS)使用静磁力(static magnetic force)、霍尔效应(Hall-effect)、磁通量(fluxgate)、磁阻效应(magnetoresistive)或者其他半导体的磁效应来进行检测。

随着微机电系统（MEMS）技术的发展，大大推动了MEMS磁场传感器的发展，出现了一些微型磁场传感器的结构，自从集成电路工艺发明以来，特别是CMOS（英文全称为：Complementary Metal Oxide Semiconductor，中文是：互补金属氧化物半导体）工艺技术的问世，硅技术的大批量制造使得昂贵的设计制造成本得到了极大的降低，同时新发展的MEMS工艺能够在硅衬底上利用IC（英文全称为：integrated circuit，中文是：集成电路）后处理工艺制作各种机械结构，为磁场传感器的设计开辟了新的途径，近年来，提出了一些微型磁场传感器的结构，如法国的Vincent Beroulle、Laurent Latorre提出的MEMS磁场传感器，在悬臂梁与锚区附近做压阻，通过测量压阻的输出检测磁场。扭摆式MEMS磁场传感器最早由Beverley Eyre等人提出，测量在磁场作用下受力后结构扭摆的幅度，来测量磁场的大小。R.Sunier提出的谐振式磁场传感器，通过谐振频率的变化来得到磁场测量的目的。另一种谐振式磁场传感器，包括一个两端有间隙的磁聚能器，制作的材料需要使用软磁材料。这些磁场传感器只能测量磁场的大小。磁场是一个矢量，所以对磁场方向信息很重要。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，该磁场传感器结构简单，可以实现磁场方向以及幅度的测量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底、底电极层、牺牲层、金属层和氮化硅层，牺牲层的中部和金属层的中部均为空心，氮化硅层的中部为弯曲板，弯曲板的一侧设有向外延伸的凸板，金属层的顶面设有锚区，凸板与锚区固定连接，弯曲板位于金属层中部的上方，弯曲板处于悬空状态；弯曲板的底面设置第一电容、第二电容和第三电容，弯曲板的顶面布设有第一电容引线、第二电容引线、第三电容引线和沿弯曲板边缘布设的金属线，弯曲板中设置有含有金属柱的第一通孔、含有金属柱的第二通孔、含有金属柱的第三通孔，与凸板连接的锚区上设置有第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和两个第四焊盘；第一电容通过第一通孔与第一电容引线的一端连接，第一电容引线的另一端与第一焊盘连接；第二电容通过第二通孔与第二电容引线的一端连接，第二电容引线的另一端与第二焊盘连接；第三电容通过第三通孔与第三电容引线的一端连接，第三电容引线另一端与第三焊盘连接；金属线的两端分别与一个第四焊盘连接；在牺牲层中设置含有金属柱的第四通孔，底电极层通过第四通孔与金属层连接；在氮化硅层的边部中设置含有金属柱的第五通孔，且在氮化硅层的边部上方设置第五焊盘，金属层通过第五通孔与第五焊盘连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.结构简单，能实现磁场全方向测量，同时可以实现磁场幅度的测量。本发明的微机电系统磁场传感器，在弯曲板的底面设置第一电容、第二电容和第三电容，在弯曲板的顶面布设有第一电容引线、第二电容引线、第三电容引线和沿弯曲板边缘布设的金属线。当该传感器处于磁场中时，悬臂梁上金属线通电流后，受洛伦兹力的作用产生变形，弯曲板由于受到不同的洛伦兹力的作用产生的位移也不同，从而导致弯曲板底面电容发生变化，通过从第一电容、第二电容和第三电容变化关系从而可以得到磁场方向，同时可以得到磁场的幅度。

2.适应较宽范围磁场强度的测量。本发明中，利用金属线加载直流信号感应出洛伦兹力，可以方便的改变驱动信号的大小，因而能够控制弯曲板的变形幅度，从而可以适应较宽范围磁场强度的测量。

3.功耗小、受温度影响小、性能可靠。本发明利用测量不同振动模式下弯曲板的位移，来测量磁场的方向。整个测量过程中所用的电流为直流电，另外，本发明将金属线设于弯曲板的四周，在同样的磁场条件下，弯曲板受力最大产生的位移也最大，因此功耗小。另外，电容检测受外界环境影响较小，相对热驱动的传感器而言，本磁场传感器用洛伦兹力相对比较容易驱动，性能可靠。

附图说明

图1是本发明的结构立体图。

图2是图1中的a-a剖面图。

图3是图1中的b-b剖面图。

图中有：金属线1、弯曲板2、第一电容3、第二电容4、第三电容5、牺牲层6、底电极层7、衬底8、金属层9和氮化硅层10、第一焊盘31、第二焊盘41、第三焊盘51、第四焊盘11、第五焊盘71、第一电容引线32、第二电容引线42、第三电容引线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。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图3所示，本发明的一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的衬底8、底电极层7、牺牲层6、金属层9和氮化硅层10。牺牲层6的中部和金属层9的中部均为空心。也就是说，牺牲层6和金属层9都是呈框形，中部为空的。氮化硅层10的中部为弯曲板2，弯曲板2的一侧设有向外延伸的凸板，金属层9的顶面设有锚区，凸板与锚区固定连接，弯曲板2位于金属层9中部的上方，弯曲板2处于悬空状态。弯曲板2与氮化硅层10的周边不接触，存有间隙。弯曲板2通过凸板连接在锚区上。弯曲板2的底面设置第一电容3、第二电容4、第三电容5。第一电容3、第二电容4、第三电容5均由金属制成。弯曲板2的顶面布设有第一电容引线32、第二电容引线42、第三电容引线52和沿弯曲板2边缘布设的金属线1。弯曲板2中设置有含有金属柱的第一通孔33、含有金属柱的第二通孔43、含有金属柱的第三通孔53。与凸板连接的锚区上设置有第一焊盘31、第二焊盘41、第三焊盘51和两个第四焊盘11。第一电容3通过第一通孔33与第一电容引线32的一端连接，第一电容引线32的另一端与第一焊盘31连接。第二电容4通过第二通孔43与第二电容引线42的一端连接，第二电容引线42的另一端与第二焊盘41连接。第三电容5通过第三通孔53与第三电容引线52的一端连接，第三电容引线52另一端与第三焊盘51连接。金属线1的两端分别与一个第四焊盘11连接。在牺牲层6中设置含有金属柱的第四通孔73。底电极层7通过第四通孔73与金属层9连接。在氮化硅层10的边部中设置含有金属柱的第五通孔72，且在氮化硅层10的边部上方设置第五焊盘71，金属层9通过第五通孔72与第五焊盘71连接。金属线1、第一电容引线32、第二电容引线42、第三电容引线52、第一焊盘31、第二焊盘41、第三焊盘51、第四焊盘11和第五焊盘71，均由金属制成。

进一步，所述的第一电容3、第二电容4和第三电容5位于与弯曲板2一侧的底面，该侧与弯曲板2设有凸板的一侧相对。第一电容3、第二电容4和第三电容5位于与凸板相对的一侧，该侧的弯曲程度最大，所以电容的变化也是最明显的。这样会增加测量的灵敏度。

进一步，所述的第一电容3、第二电容4、第三电容5位于同一条直线上，且第二电容4处于弯曲板一侧的边缘中心，第一电容3和第三电容5以第二电容4为对称轴对称分布。第一电容3、第二电容4、第三电容5位于同一条直线上，且第一电容3和第三电容5对称分布。这样三个电容弯曲和扭转时，一些相同分量才可以抵消，留下绝对的差值，减小误差。

进一步，为防止底电极焊盘与电容焊盘之间间距过近，产生寄生电容，影响电容测量的结果，所述的第五焊盘71位于锚区外侧。作为一种优选，所述的第五焊盘71位于与锚区相对的另一侧氮化硅层10上。这可以保证底电极焊盘（即第五焊盘71）与电容焊盘（即位于锚区上的焊盘，从第一焊盘31至第四焊盘11）之间有足够的距离，消除寄生电容，确保电容测量的准确性。

该结构的磁场传感器工作过程是：如图1所示，在磁场传感器的金属线1中施加一个任意的直流电流，测量第一电容3、第二电容4和第三电容5的电容变化。第二电容4位于弯曲板2外侧对边的中点处，第一电容3和第三电容5位于弯曲板2外侧对边的边缘处，且第一电容3和第三电容5以第二电容4为对称点，相互对称。如图1所示，金属线1由金属线l₁、金属线l₂、金属线l₃、金属线l₄和金属线l₅组成，其中，金属线l₁和金属线l₃相互平行，且长度相等；金属线l₄和金属线l₅分别与金属线l₂平行，且金属线l₄和金属线l₅位于同一条直线上。在横向磁场B_H的作用下，金属线l₁和金属线l₃受磁场力的作用，力的方向垂直纸面，金属线l₁的洛伦兹力F_Hl1=B_HIl_l，且方向向下；金属线l₃的洛伦兹力F_Hl3=B_HIl₃，且方向向上。F_Hl1=F_Hl3，表明力的大小相等但方向相反。式中，B_H为磁场的横向分量，I为金属线1中的电流，l₁为金属线l₁的长度，l₃为金属线l₃的长度。在横向磁场B_H的作用下，金属线l₂、金属线l₄和金属线l₅不受洛仑兹力的作用，弯曲板2会发生扭转变形，第一电容3处的向下弯曲变形量为x_H3=F_Hl1/k₁+F_Hl3/k₁，k₁为弯曲板2的扭转系数，第三电容5处的向上弯曲变形量为x_H5=F_Hl1/k₁+F_Hl3/k₁。以上假设金属线l₂中的电流方向为从左侧流向右侧，横向磁场BH方向向右为正方向。因为第二电容4处于外侧中心，第二电容4的电容不会发生变化，而第一电容3和第三电容5的电容会发生变化。这样，弯曲板2受力以后，弯曲板2的左侧会上翘，而右侧会下翘，所以第一电容3和第三电容5就会分别变小和变大。因此，通过第一电容3和第三电容5的电容变化量，可以得到横向磁场的方向。第一电容3的电容变化量

第三电容5的电容变化量

ε为极板间介质的介电常数，极板间是指弯曲版2和底电极层7之间；S₃为第一电容3的极板面积，S₅为第三电容5的极板面积，x₃为第一电容3初始（初始是指第一电容3未通电，也就是未受力时）极板间的距离，x_H3为第一电容3受力后的极板间的距离，x₅为第三电容5初始极板间的距离，x_H5为第三电容5受力后的极板间的距离。与初始值相比，第一电容3的电容变小，第三电容5的电容变大。这样的变化是基于上文的对电流和磁场的假设得到，是受横向磁场的作用，所以可以得到横向磁场的方向。

另外，力学知识可以得到弯曲板2的扭转系数k₁，从第一电容3和第三电容5的电容变化量可以得到弯曲板2的扭转量变形后，弯曲板2与底电极层7之间的距离。其中，第一电容3与下极板的距离为

第三电容5与下极板的距离为ε为极板间介质的介电常数，S₃为第一电容3的极板面积，S₅为第三电容5的极板面积，c_H3表示受横向磁场作用后，第一电容3的电容，c_H5表示受横向磁场作用后，第三电容5的电容。弯曲板2的扭转量变形是由于横向磁场产生的洛伦兹力引起的，由上述各个条件可以得到磁场的幅度。为了减小误差，将第一电容3、第二电容4和第三电容5的值进行综合计算，得到横向磁场分量的幅度为

在纵向磁场B_V的作用下，金属线l₁和金属线l₃不受到洛仑兹力的作用，金属线l₂、金属线l₄和金属线l₅受磁场力的作用，金属线l₂受到的力为F_vl2=B_vIl₂，金属线l₄受到的力为F_vl4=B_vIl₄，金属线l₅受到的力为F_vl5=B_vIl₅，合力的方向为金属线l₂的方向，其中，l₂为金属线l₂的长度，l₄为金属线l₄的长度，l₅为金属线l₅的长度，B_v为磁场的纵向分量，I为金属线1中的电流。弯曲板2会产生弯曲变形。这样第一电容3、第二电容4和第三电容5的电容会产生相同的变化，第二电容4可以代表弯曲板2的弯曲变形。第二电容4的电容为

其中，S₄为第二电容4的极板面积，x_v4为第二电容4受力后的极板间的距离。如果第二电容4的电容变小，则表明弯曲板2是向上弯曲的。这样可以得到纵向磁场方向是向上的（为正方向），反之则相反。弯曲板2的弯曲是由于受纵向磁场作用产生的，结合力学知识可以得到弯曲板2的弯曲系数k₂，纵向磁场B_V的幅度

其中，k为金属线l₄和金属线l₅受力引起的弯曲与金属线l₂受力引起的弯曲的系数，x₄为第二电容4初始极板间的距离，也就是第二电容4未通电时极板间的距离。

综合这两个方向磁场的作用，从第一电容3和第三电容5可以得到横向磁场B_H的方向，按照先前假设的电流方向，若第一电容3的电容大于第三电容5的电容，可以知道横向磁场B_H的方向为向右（正方向），反之为负方向。同时从第一电容3和第三电容5的电容差值，可以得到横向磁场B_H的幅度。从第二电容4可以知道纵向磁场的方向和幅度。这样可以得到磁场方向和大小。

上述结构的磁场传感器的制备过程是：利用微机械加工技术硅片氧化形成氮化硅膜层和牺牲层6，硅片中多晶硅层作为底电极层7，氮化硅膜层作为衬底8，接着溅射金属，并图形化，形成金属层9、第一电容3、第二电容4和第三电容5，并涂覆一层氮化硅，然后溅射一层氮化硅，并刻蚀窗口，然后再在其表面溅射金属Al并光刻形成金属线1、第一电容引线32、第二电容引线42、第三电容引线52、第一焊盘31、第二焊盘41、第三焊盘51、第四焊盘11和第五焊盘71，最后通过腐蚀释放结构形成弯曲板2。本例中采用氮化硅膜层为绝缘层。

Claims (7)

1.一种用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底（8）、底电极层（7）、牺牲层（6）、金属层（9）和氮化硅层(10)，牺牲层（6）的中部和金属层（9）的中部均为空心，氮化硅层(10)的中部为弯曲板（2）， 弯曲板（2）的一侧设有向外延伸的凸板，金属层（9）的顶面设有锚区，凸板与锚区固定连接，弯曲板（2）位于金属层（9）中部的上方，弯曲板（2）处于悬空状态；弯曲板（2）的底面设置第一电容（3）、第二电容（4）和第三电容（5），弯曲板（2）的顶面布设有第一电容引线（32）、第二电容引线（42）、第三电容引线（52）和沿弯曲板（2）边缘布设的金属线（1），弯曲板（2）中设置有含有金属柱的第一通孔（33）、含有金属柱的第二通孔（43）、含有金属柱的第三通孔（53），与凸板连接的锚区上设置有第一焊盘（31）、第二焊盘（41）、第三焊盘（51）和两个第四焊盘（11）；第一电容（3）通过第一通孔（33）与第一电容引线（32）的一端连接，第一电容引线（32）的另一端与第一焊盘（31）连接；第二电容（4）通过第二通孔（43）与第二电容引线（42）的一端连接，第二电容引线（42）的另一端与第二焊盘（41）连接；第三电容（5）通过第三通孔（53）与第三电容引线（52）的一端连接，第三电容引线（52）另一端与第三焊盘（51）连接；金属线（1）的两端分别与一个第四焊盘（11）连接；在牺牲层（6）中设置含有金属柱的第四通孔（73），底电极层（7）通过第四通孔（73）与金属层（9）连接；在氮化硅层(10)的边部中设置含有金属柱的第五通孔（72），且在氮化硅层(10)的边部上方设置第五焊盘（71），金属层（9）通过第五通孔（72）与第五焊盘（71）连接。

2.按照权利要求1所述的用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，所述的第一电容（3）、第二电容（4）和第三电容（5）位于与弯曲板（2）一侧的底面，该侧与弯曲板（2）设有凸板的一侧相对。

3.按照权利要求2所述的用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，所述的第一电容（3）、第二电容（4）、第三电容（5）位于同一条直线上，且第二电容（4）处于弯曲板一侧的边缘中心，第一电容（3）和第三电容（5）以第二电容（4）为对称轴对称分布。

4.按照权利要求1、2或3所述的用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，所述的第五焊盘（71）位于锚区外侧。

5.按照权利要求4所述的用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，所述的第五焊盘（71）位于与锚区相对的另一侧氮化硅层(10)上。

6.按照权利要求1所述的用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，所述的第一电容（3）、第二电容（4）、第三电容（5）均由金属制成。

7.按照权利要求1所述的用于测量磁场方向的微机电系统磁场传感器，其特征在于，所述的金属线（1）、第一电容引线（32）、第二电容引线（42）、第三电容引线（52）、第一焊盘（31）、第二焊盘（41）、第三焊盘（51）、第四焊盘（11）和第五焊盘（71），均由金属制成。

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