CN114296014B - 基于洛伦兹力的三维mems磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于洛伦兹力的三轴MEMS磁场传感器，包括衬底、框架、锚区、弹簧、传感电极、驱动金属层、检测金属层以及质量块。该传感器利用MEMS工艺加工，利用梳齿电容组成的电容式感应电极。三轴感应电极集成在一个单一的质量块和框架之间，消除了轴间耦合，提高了灵敏度和降低噪声。该磁场传感器结构简单，灵敏度高，噪声小。

Description

基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器及其制备方法。

背景技术

磁场传感器是一种可以将各种磁场及其变化转换为电信号以进行输出的设备。磁场或与磁场有关的信息存在于自然界和人类社会的许多地方。使用人工设置的永磁体产生的磁场，可用作多种信息的载体。因此，检测，收集，存储，转换，再现和监视各种磁场以及磁场中携带的各种信息的任务自然落在磁场传感器上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中必不可少的基本组件。目前，人们已经开发出利用各种物理，化学和生物效应的磁场传感器，并已广泛用于科学研究，生产和社会生活的各个方面，并承担了探索各种信息的任务。

随着技术的发展，磁场传感器被越来越广泛地使用，并且与人类生活息息相关。它们被广泛用于消费，工业和军事领域。磁场传感器广泛用于直接或间接测量系统。磁场传感器在磁盘上的应用使计算机拥有无限的存储空间。在航空领域的应用使飞行更加安全；海上航行中广泛使用的电磁罗盘使航行更加准确。磁传感器的显着特征是它可以执行非接触式测量，检测信号几乎不受被测物体的影响，具有抗污染和强噪声的特性，即使在非常恶劣的环境条件下也可以可靠地工作。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，该传感器可以测量三个方向的磁场变化，且该传感器能够消除轴间耦合，结构简单、尺寸小、灵敏度高。

本发明的基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，包括衬底、以及设置在衬底上的结构运动部分和结构固定部分。

所述结构固定部分包括框形锚区、质量块、第一传感电极组、第二传感电极组、第三传感电极组、第四传感电极组和中心焊盘；质量块位于框形锚区的中心位置，第一传感电极组、第二传感电极组、第三传感电极组和第四传感电极组均匀设置在质量块的四周，中心焊盘设置在质量块的上表面中心位置。

所述结构运动部分包括框架、第一框架金属线、弹簧组件、第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组。第一框架金属线设置在框架上表面的周边。

所述弹簧组件连接在框架和框形锚区之间；第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组与框架连接，且位于框架内，第五传感电极组与第一传感电极组相对设置形成第一电容，第六传感电极组和第二传感电极组相对设置形成第二电容、第七传感电极组和第三传感电极组相对设置形成第三电容、第八传感电极组和第四传感电极组相对设置形成第四电容。

进一步的，所述弹簧组件包括第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧；第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧分别连接在框架和框形锚区之间；第一弹簧、第三弹簧、第一电容和第三电容位于同一直线上。第二弹簧、第四弹簧、第二电容和第四电容位于同一直线上。

进一步的，所述结构运动部分还包括第二框架金属线、第二弹簧金属线。

所述结构固定部分还包括设置在锚区上的焊盘五、焊盘六、焊盘七和焊盘八；焊盘五、焊盘六、焊盘七和焊盘八分别邻近第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的一端，且与第二弹簧金属线连接。

第二框架金属线设置在框架上表面的周边，且位于第一框架金属线的下方，第二框架金属线与第一框架金属线之间设置有绝缘层，第二弹簧金属线设置在弹簧组件的上表面，第二弹簧金属线通过第二框架金属线连接第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组。

进一步的，第二弹簧金属线上设置有绝缘层和第一弹簧金属线，绝缘层位于第二弹簧金属线和第一弹簧金属线之间，第一框架金属线、第一弹簧金属线的位置分别与第二框架金属线、第二弹簧金属线的位置对应。

所述结构固定部分还包括设置在锚区上的第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘；

第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘分别邻近第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的一段，且与第一弹簧金属线连接。

第一弹簧金属线通过第一框架金属线连接第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组。

基于洛伦兹力的三轴MEMS磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对N型晶向低阻双抛硅清洗，在锚区、弹簧组件、框架部分掩膜，对于中间质量块、电极组件通过扩散工艺，制备出硼掺杂硅形成导体；

步骤2，第一次光刻并刻蚀弹簧组件和电极组件的高度；

将步骤1扩散后的硅片背面旋涂一层光刻胶并进行光刻，刻蚀出弹簧组件和电极组件的位置；

所述弹簧组件包括第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧；

所述电极组件包括第一传感电极组、第二传感电极组、第三传感电极组、第四传感电极组、第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组；

步骤3，第二次光刻并确定硅片背面框架区域的高度；

将硅片背面框架部分对应的高度刻低至低于锚区和质量块；

步骤4，硅-玻璃键合，将玻璃作为衬底；

步骤5，第三次光刻工确定弹簧组件和电极组件的高度对硅片正面，旋涂光刻胶并进行光刻，然后在弹簧组件和电极组件所在位置进行刻蚀，从而确定弹簧组件和电极组件的高度；

步骤6，进行第四次光刻并制作检测金属层；

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出锚区焊盘五到焊盘八、弹簧组件及框架区域，溅射检测金属层，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上的检测金属层洗掉，从而在锚区上形成焊盘五、焊盘六、焊盘七、焊盘八，在弹簧组件上形成第二弹簧金属线，在框架上形成第二框架金属线；

步骤7，第五次光刻并沉积SiO绝缘层；

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出检测金属层，其他区域覆盖光刻胶，然后沉积绝缘层，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上绝缘层洗掉，从而得到位于弹簧组件及框架区域的绝缘层；

步骤8，第六次光刻并制作驱动金属层；

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出绝缘层，其他区域覆盖光刻胶，沉积驱动金属层，利用剥离工艺将对光刻胶和光刻胶上的驱动金属层洗掉，从而在锚区上形成第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘，在弹簧组件上形成第一弹簧金属线，在框架上形成第一框架金属线。

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，可以实现三个方向的磁场检测。仅需要简单的工艺实现，利用平板电容的概念，将运动信号转化为电信号。四个电容对磁场响应后，即可得到总磁场的大小及方向。

2.性能更优。本发明的三维MEMS磁场传感器，仅需要单一质量块作为参考单元，缩小了芯片尺寸，提高了传感器的灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中A-A’的剖面图。

图中有：衬底1，框架2，锚区3，弹簧组件4，电极组件5，质量块6，驱动金属层7，绝缘层8，检测金属层9，中心焊盘10；弹簧组件4包括第一弹簧11，第二弹簧12，第三弹簧13，第四弹簧14；电极组组件5包括第一传感电极组51，第二传感电极组52，第三传感电极组53，第四传感电极组54，第五传感电极组55，第六传感电极组56，第七传感电极组57，第八传感电极组58。驱动金属层7中包含有第一焊盘71，第二焊盘72，第三焊盘73，第四焊盘74，第一弹簧金属线75，第一框架金属线76；检测金属层9包含有焊盘五91，焊盘六92，焊盘七93，焊盘八94，第二弹簧金属线95。第一电容33，第二电容34，第三电容35，第四电容36。

具体实施方式

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和图2所示，基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，包括衬底1、以及设置在衬底1上的结构运动部分和结构固定部分，受到洛伦兹力时结构运动部分相对于衬底1发生移动。

所述结构固定部分包括框形锚区3、质量块6、第一传感电极组51、第二传感电极组52、第三传感电极组53、第四传感电极组54和中心焊盘10。

质量块6位于框形锚区3的中心位置，第一传感电极组51、第二传感电极组52、第三传感电极组53和第四传感电极组54均匀设置在质量块6的四周，中心焊盘10设置在质量块6的上表面中心位置。

所述结构运动部分包括框架、弹簧组件4、第一弹簧金属线75、第二弹簧金属线95、第二框架金属线、第五传感电极组55、第六传感电极组56、第七传感电极组57和第八传感电极组58。

第二框架金属线95设置在框架2上表面的周边，第二弹簧金属线设置在弹簧组件4的上表面，第二框架金属线95通过第二弹簧金属线连接第五传感电极组55、第六传感电极组56、第七传感电极组57和第八传感电极组58。

第二框架金属线95和第二弹簧金属线上均设置有绝缘层，绝缘层上表面设置有第一框架金属线76和第一弹簧金属线75，第一框架金属线76、第一弹簧金属线75的位置分别与第二框架金属线95、第二弹簧金属线的位置对应。

所述弹簧组件4连接在框架和框形锚区3之间，第一框架金属线76与第一弹簧金属线75连接。

第五传感电极组55、第六传感电极组56、第七传感电极组57和第八传感电极组58与框架连接，且位于框架内，第五传感电极组55与第一传感电极组51相对设置形成第一电容33，第六传感电极组56和第二传感电极组52相对设置形成第二电容34、第七传感电极组57和第三传感电极组53相对设置形成第三电容35、第八传感电极组58和第四传感电极组54相对设置形成第四电容36。

所述弹簧组件4包括第一弹簧11、第二弹簧12、第三弹簧13和第四弹簧14；第一弹簧11、第二弹簧12、第三弹簧13和第四弹簧14分别连接在框架和框形锚区3之间；第一弹簧11、第三弹簧13、第一电容33和第三电容35位于同一直线上。第二弹簧12、第四弹簧14、第二电容34和第四电容36位于同一直线上。

位于第一弹簧11上的第一弹簧金属线75与第一焊盘71连接，位于第二弹簧12上的第一弹簧金属线75与第二焊盘72连接，位于第三弹簧13上的第一弹簧金属线75与第三焊盘73连接，位于第四弹簧14上的第一弹簧金属线75与第四焊盘74连接。

位于第一弹簧11上的第二弹簧金属线95与焊盘五91连接，位于第二弹簧12上的第二弹簧金属线95与焊盘六92连接，位于第三弹簧13上的第二弹簧金属线95与焊盘七93连接，位于第四弹簧14上的第二弹簧金属线95与焊盘八94连接。

第一焊盘71、第二焊盘72、第三焊盘73、第四焊盘74、第一弹簧金属线75和第一框架金属线76位于驱动金属层7。

有焊盘五91、焊盘六92、焊盘七93、焊盘八94、第二弹簧金属线95和第二框架金属线位于检测金属层9。

弹簧组件4位于绝缘层。

中心焊盘10用于第一传感电极组51、第二传感电极组52、第三传感电极组53、第四传感电极组54的输出。

从图1中可以看出，每个电容由两个传感电极组成，它是标准的平板电容器。通入电流的导线感应到磁场的变化会在导线上产生洛伦兹力带动框架移动从而改变平板电容的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算磁场大小。

本发明的基于洛伦兹力的三轴MEMS磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

1).对N型(100)晶向低阻双抛硅片采用标准清洗工艺清洗，清除硅片表面残留的有机物，在硅片四周的锚区3、弹簧组件4、框架2部分掩膜，对于中间质量块6、电极组件5通过扩散工艺，制备出硼掺杂硅形成导体。

2).第一次光刻并刻蚀弹簧组件4和电极组件5的高度。

将扩散结束的硅片背面旋涂一层光刻胶并进行光刻，刻蚀出弹簧组件4和电极组件5。

所述弹簧组件4包括所述弹簧组件4包括第一弹簧11、第二弹簧12、第三弹簧13和第四弹簧14；

所述电极组件5包括第一传感电极组51、第二传感电极组52、第三传感电极组53、第四传感电极组54、第五传感电极组55、第六传感电极组56、第七传感电极组57和第八传感电极组58；

3).第二次光刻并确定硅片背面框架2区域的高度。

将硅片背面框架2部分对应的高度刻低至低于锚区3和质量块6，以便后续键合时，框架2悬空。

4).硅-玻璃键合，玻璃作为衬底1

硅-玻璃阳极键合的原理是给分别给硅和玻璃施加一定的电场使两者可以有效的键合到一起。键合之前对硅片和玻璃进行仔细清洗，确保键合面无残留污染物。

5).第三次光刻并确定弹簧组件4和电极组件5的高度

对硅片正面，旋涂光刻胶并进行光刻，然后在弹簧组件4和电极组件5所在位置进行刻蚀，从而确定弹簧组件4和电极组件5的高度。

6)进行第四次光刻并制作检测金属层9。

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出锚区3焊盘五91到焊盘八94、弹簧组件4及框架2区域，然后溅射一层铝作为检测金属层9，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上的金属铝洗掉，从而在锚区3上形成焊盘五91、焊盘六92、焊盘七93、焊盘八94，在弹簧组件4上形成第二弹簧金属线95，在框架2上形成第二框架金属线，用于接到外部检测电路从而检测电容变化。

7).第五次光刻并沉积SiO2绝缘层8。

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出检测金属层9，其他区域覆盖光刻胶，然后沉积绝缘层8，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上绝缘层8洗掉，得到位于弹簧组件4及框架2区域的绝缘层，以便上层的驱动金属层7与检测金属层9绝缘。

8).第六次光刻并制作驱动金属层7。

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出绝缘层8，其他区域覆盖光刻胶，沉积铝做为驱动金属层7，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上的金属铝洗掉，从而在锚区3上形成第一焊盘71、第二焊盘72、第三焊盘73、第四焊盘74，在弹簧组件4上形成第一弹簧金属线75，在框架2上形成第一框架金属线76，电流后而带动结构运动。

本发明三维磁场传感器工作过程是：

当测量x轴方向的磁场时，从锚区3上的第二焊盘72通入电流，经第二弹簧12上的弹簧金属线75到达框架金属线76，再经由第四弹簧14上的弹簧金属线75从锚区3上的第四焊盘74流出。因此，框架2的相对应的两边通有沿y轴的同向电流，y轴方向中是沿第二弹簧12和第四弹簧14的方向，框架2上有同向电流的两边的框架金属线76在感受到x轴磁场时，受洛伦兹力的作用带动框架2沿z轴运动，因此会改变第一电容33、第二电容34、第三电容35、第四电容36的电容板的正对面积l*t，从而改变电容C的大小。第一电容33、第二电容34、第三电容35、第四电容36的一端电极由第二框架金属线经由弹簧组件4上的第二弹簧金属线95后分别从锚区3上的焊盘五91、焊盘六92、焊盘七93、焊盘八94引出，另一端由质量块6上的中心焊盘10引出。通过分别测量焊盘五91、焊盘六92、焊盘七93、焊盘八94与中心焊盘10之间的电信号，可以计算出电容大小，从而得到磁场大小。

平板电容的计算公式如下式：

其中，C为电容，ε_r为相对介电常数，ε₀为真空中介电常数，l为电容板有效长度，t为电容板有效宽度，d为上下电容板之间的距离。

为了测量y轴方向的磁场，锚区3上的第一焊盘71通入电流，经第一弹簧11上的弹簧金属线75到达框架2上的框架金属线76，再经由第三弹簧13上的弹簧金属线75从锚区3上的第三焊盘73流出。因此，框架2的相对两边的框架金属一76会通有x轴的同向电流，x轴是指是沿第一弹簧11和第三弹簧13的方向，框架2在感受到y轴磁场时，受洛伦兹力的作用沿z轴运动，因此会改变第一电容33、第二电容34、第三电容35、第四电容36的电容板的正对面积l*t，从而改变电容C的大小。

当测量z轴方向的磁场时，从锚区3上的第二焊盘72通入电流，经第二弹簧12上的弹簧金属线75到达框架2上的框架金属线76，再经由第四弹簧14上的弹簧金属线75从锚区3上的第四焊盘74流出。因此，框架2的上下两边的框架金属一76会通有x轴方向的同向电流，框架2在感受到z轴磁场时，受洛伦兹力的作用沿y轴运动。因此会改变第一电容33、第三电容35的电容板的正对面积l*t，会改变第二电容34和第四电容36的间距d，从而改变电容大小。

通过上述三种模式测量磁场的三个方向的不同分量，可以得到磁场大小：

同时也能够得到磁场的方向，其方向与坐标轴的夹角分别为：

Claims (3)

1.基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，其特征在于，包括衬底(1)、以及设置在衬底(1)上的结构运动部分和结构固定部分；

所述结构固定部分包括框形锚区(3)、质量块(6)、第一传感电极组(51)、第二传感电极组(52)、第三传感电极组(53)、第四传感电极组(54)和中心焊盘(10)；

质量块(6)位于框形锚区(3)的中心位置，第一传感电极组(51)、第二传感电极组(52)、第三传感电极组(53)和第四传感电极组(54)均匀设置在质量块(6)的四周，中心焊盘(10)设置在质量块(6)的上表面中心位置；

所述结构运动部分包括框架(2)、第一框架金属线(76)、弹簧组件(4)、第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)；

所述弹簧组件(4)连接在框架和框形锚区(3)之间，第一框架金属线(76)设置在框架(2)上表面的周边；

第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)与框架连接，且位于框架内，第五传感电极组(55)与第一传感电极组(51)相对设置形成第一电容(33)，第六传感电极组(56)和第二传感电极组(52)相对设置形成第二电容(34)、第七传感电极组(57)和第三传感电极组(53)相对设置形成第三电容(35)、第八传感电极组(58)和第四传感电极组(54)相对设置形成第四电容(36)；

所述结构运动部分还包括第二框架金属线、第二弹簧金属线(95)；

所述结构固定部分还包括设置在锚区(3)上的焊盘五(91)、焊盘六(92)、焊盘七(93)和焊盘八(94)；焊盘五(91)、焊盘六(92)、焊盘七(93)和焊盘八(94)分别邻近第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)的一端，且与第二弹簧金属线(95)连接；

第二框架金属线设置在框架(2)上表面的周边，且位于第一框架金属线(76)的下方，第二框架金属线与第一框架金属线(76)之间设置有绝缘层，第二弹簧金属线(95)设置在弹簧组件(4)的上表面，第二弹簧金属线(95)通过第二框架金属线连接第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)；

第二弹簧金属线(95)上设置有绝缘层和第一弹簧金属线(75)，绝缘层位于第二弹簧金属线(95)和第一弹簧金属线(75)之间；

所述结构固定部分还包括设置在锚区(3)上的第一焊盘(71)、第二焊盘(72)、第三焊盘(73)和第四焊盘(74)；

第一焊盘(71)、第二焊盘(72)、第三焊盘(73)和第四焊盘(74)分别邻近第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)的一端，且与第一弹簧金属线(75)连接；

第一弹簧金属线(75)通过第一框架金属线(76)连接第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)。

2.根据权利要求1所述基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，其特征在于，所述弹簧组件(4)包括第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)；第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)分别连接在框架和框形锚区(3)之间；第一弹簧(11)、第三弹簧(13)、第一电容(33)和第三电容(35)位于同一直线上；第二弹簧(12)、第四弹簧(14)、第二电容(34)和第四电容(36)位于同一直线上。

3.如权利要求1所述基于洛伦兹力的三轴MEMS磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对N型晶向低阻双抛硅清洗，在锚区(3)、弹簧组件(4)、框架(2)部分掩膜，对于中间质量块(6)、电极组件(5)通过扩散工艺，制备出硼掺杂硅形成导体；

步骤2，第一次光刻并刻蚀弹簧组件(4)和电极组件(5)的高度；

将步骤1扩散后的硅片背面旋涂一层光刻胶并进行光刻，刻蚀出弹簧组件(4)和电极组件(5)的位置；

所述弹簧组件(4)包括第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)；

所述电极组件(5)包括第一传感电极组(51)、第二传感电极组(52)、第三传感电极组(53)、第四传感电极组(54)、第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)；

步骤3，第二次光刻并确定硅片背面框架(2)区域的高度；

将硅片背面框架(2)部分对应的高度刻低至低于锚区(3)和质量块(6)；

步骤4，硅-玻璃键合，将玻璃作为衬底(1)；

步骤5，第三次光刻工确定弹簧组件(4)和电极组件(5)的高度对硅片正面，旋涂光刻胶并进行光刻，然后在弹簧组件(4)和电极组件(5)所在位置进行刻蚀，从而确定弹簧组件(4)和电极组件(5)的高度；

步骤6，进行第四次光刻并制作检测金属层(9)；

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出锚区(3)焊盘五(91)到焊盘八(94)、弹簧组件(4)及框架(2)区域，溅射检测金属层(9)，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上的检测金属层(9)洗掉，从而在锚区(3)上形成焊盘五(91)、焊盘六(92)、焊盘七(93)、焊盘八(94)，在弹簧组件(4)上形成第二弹簧金属线(95)，在框架(2)上形成第二框架金属线；

步骤7，第五次光刻并沉积SiO2绝缘层(8)；

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出检测金属层(9)，其他区域覆盖光刻胶，然后沉积绝缘层(8)，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上绝缘层(8)洗掉，从而得到位于弹簧组件(4)及框架(2)区域的绝缘层(8)；

步骤8，第六次光刻并制作驱动金属层(7)；

在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出绝缘层(8)，其他区域覆盖光刻胶，沉积驱动金属层(7)，利用剥离工艺将对光刻胶和光刻胶上的驱动金属层(7)洗掉，从而在锚区(3)上形成第一焊盘(71)、第二焊盘(72)、第三焊盘(73)、第四焊盘(74)，在弹簧组件(4)上形成第一弹簧金属线(75)，在框架(2)上形成第一框架金属线(76)。