基于洛倫茲力的MEMS傳感器設(shè)計及制作

0、引言

磁傳感器技術(shù)分類(來源：《磁傳感器市場與技術(shù)-2017版》)

由于磁性傳感技術(shù)不會受到灰塵、污垢、油脂、振動以及濕度的影響，因此磁傳感器在工業(yè)設(shè)備和電子儀器中有著廣泛的應用，如磁共振成像、生產(chǎn)的自動控制、流程工業(yè)、煤礦勘探、電流測量、缺陷定位和鐵磁材料剩余應力檢測等方面。為了滿足不同場合的應用，已根據(jù)不同傳感原理制備了相應的磁傳感器，常見的有超導量子干涉裝置(SQUID) 、磁通門磁力計、霍爾效應傳感器、各向異性磁阻(AMR)傳感器、微機電系統(tǒng)(MEMS)磁傳感器。在這些傳感器中，雖然SQUID可探測極小磁感應強度(fT)，但裝置需要低溫冷卻，并且易受電磁干擾，為此需要復雜的外圍設(shè)備;磁通門磁力計具有體積大、功耗大、運行范圍小和不能檢測靜態(tài)磁場的特性，限制了其應用;霍爾效應傳感器顯示增加靈敏度需靠增加功耗實現(xiàn);而AMR傳感器則要求沉積磁性材料及自動校正系統(tǒng)，且在幾mT時易出現(xiàn)飽和;由于MEMS技術(shù)可以將傳統(tǒng)的磁傳感器小型化，因此基于MEMS的磁傳感器具有體積小、性能高、成本低、功耗低、高靈敏和批量生產(chǎn)等優(yōu)點，其制備材料以Si為主，消除了磁傳感器制備必須采用特殊磁性材料及其對被測磁場的影響。本文對目前基于MEMS的磁傳感器在制備過程中涉及的主要設(shè)計、制作，傳感技術(shù)及器件性質(zhì)進行綜述，并對其未來發(fā)展進行展望。

磁傳感器市場(來源：《磁傳感器市場與技術(shù)-2017版》)

磁傳感器供應鏈和關(guān)鍵廠商(來源：《磁傳感器市場與技術(shù)-2017版》)

1、MEMS磁傳感器設(shè)計及制作

1.1 MEMS磁傳感器設(shè)計

為了獲得高性能的MEMS磁傳感器，首先要根據(jù)器件的應用對象對器件進行設(shè)計，由此確定器件的結(jié)構(gòu)、使用的材料、應用的工作原理和感應技術(shù)等。MEMS設(shè)計人員可以根據(jù)模擬和建模工具選擇制造傳感器的最佳工藝和材料，并預測MEMS磁傳感器的性能。同時設(shè)計人員必須考慮器件制作過程應遵從的材料生長、器件制作、信號調(diào)制和感應技術(shù)的實現(xiàn)等規(guī)則，以避免發(fā)生影響傳感器性能的錯誤。在開發(fā)商用MEMS傳感器時，必須考慮以下幾點：優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計;包裝設(shè)計;可靠的材料性能和標準制造工藝;合適的設(shè)計和仿真工具;減少電子噪聲和寄生電容;可靠的信號處理系統(tǒng);可靠的測試。

目前常使用的MEMS設(shè)計工具包括MEMSCAP、CoventorWare、IntelliSuite和Sandia Ultra-planar Multi-level MEMS Technology (SUMMiTV) 。這些設(shè)計工具具有創(chuàng)建傳感器版圖和檢查設(shè)計規(guī)則的模塊，并且可以模擬微加工過程的步驟，有利于減少獲得高性能MEMS磁傳感器的時間。

1.2 MEMS磁傳感器制作

通常，MEMS磁場傳感器的制造可以采用體或表面微加工工藝來實現(xiàn)。由于硅具有很好的機械和電學性質(zhì)而被用來作為其主要加工材料，例如，硅具有最小的機械滯后和接近1GPa的斷裂應力。此外，硅在摻雜磷或硼后其電性能可得到明顯的改善。

體微加工工藝是采用濕法和干法蝕刻技術(shù)，通過材料的各向同性和各向異性蝕刻制備所需要的材料結(jié)構(gòu)。表面微加工工藝是通過在襯底上進行不同材料層的沉積，圖案化和蝕刻實現(xiàn)對MEMS器件的制造。通常，這些層被用作結(jié)構(gòu)和犧牲層。圖1分別給出了通過體加工和表面微加工工藝制備的磁傳感器的SEM。

圖1 體加工和表面加工獲得的SEM

2、傳感技術(shù)及MEMS磁傳感器

2.1 傳感技術(shù)

可以采用不同的傳感技術(shù)制備MEMS磁傳感器，例如壓阻式、電容和光學技術(shù)。這些技術(shù)能夠?qū)⒋艌鲂盘柗謩e轉(zhuǎn)換成電信號或光信號。在電信號檢測中，當電源受限或存在強電磁干擾時，會影響其應用。而光信號檢測在強電磁場作用及長距離傳輸?shù)葪l件下應用比電信號檢測更有優(yōu)勢，因此常應用在極端場合。此外，為了獲得高的分辨率和靈敏度，MEMS磁傳感器需要配有低電子噪聲和寄生電容的信號調(diào)制系統(tǒng)。

2.2 各類MEMS磁傳感器

V. Kumar等報道通過內(nèi)部熱壓阻振蕩放大器實現(xiàn)的洛侖茲力諧振MEMS磁力計具有極高的靈敏度。他們采用偏置電流調(diào)諧方法，將諧振器的有效品質(zhì)因子從680提高到1.14x10^6，已證明內(nèi)部放大系數(shù)提高了1620倍。此外，諧振器偏置電流的增加除了改善器件的品質(zhì)因子外，也使器件的靈敏度提高了2400倍(從0.9 μV·nT^(-1)到 2.107 mV·nT^(-1)) 。在直流偏置電流為7.245 mA時，獲得最大靈敏度為2.107 mV·nT^(-1)，本底噪聲為2.8 pT·Hz^(-1/2)。

E. Mehdizadeh等報道了基于洛倫茲力在低電阻率n型SOI襯底上制造的MEMS磁傳感器，其主元件的SEM和電連接分別如圖2所示。該傳感器利用了雙板硅諧振器(厚度10 μm，其中之一具有10 μm x 200 nm的金線)，其中間設(shè)計的2個窄梁與2個Si板連接;當諧振器在平面振動模式下振蕩時，它會受到周期性的拉伸和壓縮應力，因此呈現(xiàn)壓阻特性。諧諧振器的品質(zhì)因子在大氣壓下被放大(從1140到16900) 。此外，該傳感器可通過增加諧振器振動幅度來提高其靈敏度。在空氣中，當諧振頻率為2. 6 MHz、品質(zhì)因子為16900時，獲得傳感器靈敏度為262 mV/T。

圖2 壓阻式MEMS磁傳感器主元件的SEM和電連接

A. L. Herrera-May等制備了具有簡單諧振器和線性電響應的MEMS磁傳感器。它由穿孔板(472μm x 300 μm x 15 μm) 、4 個彎曲梁(18 μm x 15 μm x 15 μm) 、2 個支撐梁(60 μm x 36 μm x 15 μm)和4個p型壓敏電阻構(gòu)成的惠斯登電橋形成，見圖3。在SOI襯底上采用標準的體微加工工藝制造器件，通過調(diào)整激勵電流控制器件的動態(tài)范圍使其保持線性電響應，獲得器件品質(zhì)因子為419. 6、靈敏度為230 mV·T、分辨率為2. 5 μT，功耗為12 mW。該傳感器適合應用于非破壞性的磁性測試及鐵磁材料缺陷和腐蝕的檢測。

圖3 MEMS磁傳感器主要部分的頂視圖和4個壓敏電阻組成的惠斯登電橋

Langfelder等制備了具有電容讀出的MEMS磁場傳感器，該傳感器可檢測與諧振結(jié)構(gòu)表面垂直方向(z軸) 的磁場。它由一組固定定子和兩根細梁懸掛的梭子組成，形成2個差分平行板敏感電容器C1和C2，見圖4。具有傳感器共振頻率的梁，在通有電流時與磁場相互作用，從而使2個細梁受到洛倫茲力作用。這個力垂直于磁場和交流電流所構(gòu)成的平面，導致梁和平行板產(chǎn)生位移，該位移可以通過差分電容的變化來檢測。傳感器在峰值驅(qū)動電流為250 μA時的總靈敏度為150 μV·μT^(-1)、理論噪聲為557. 2 μV·Hz^(-1/2)、分辨率為520 nT·mA^(-1)·Hz^(-1/2)、品質(zhì)因子約328、共振頻率為28.3 kHz。

圖4 由平行板、固定定子和2根細梁支撐的梭子形成的MEMS磁場傳感器的示意圖

M. Li等設(shè)計了由彎曲梁諧振器(1200 μm x 680 μm x 40 μm)組成的磁場傳感器。彎曲梁諧振器與載有電流的Si梁通過微杠桿機制耦合，諧振器借助彎曲梁的每一側(cè)的30個叉指電極實現(xiàn)靜電驅(qū)動和電容感應，獲得傳感器的靈敏度為6687 ppm·mA^(-1)·T^(-1)、品質(zhì)因子為540、諧振頻率為21.9 kHz (1 ppm = 10^(-6)) 。

Aditi等通過采用SOI和玻璃片的陽極鍵合技術(shù)制備了MEMS磁場傳感器。該器件制作工藝具有以下優(yōu)點：低溫(≤400 ℃) 、可靠、可重復、少的光刻步驟及可控電極間距離的能力。獲得傳感器功耗為0.45 mW，分辨率為215 nT·Hz^(-1/2)。

B. Park等設(shè)計了由硅諧振器和緊湊型激光定位系統(tǒng)構(gòu)成的磁場傳感器，如圖5所示。該系統(tǒng)具有光電探測器和激光二極管，用于監(jiān)測電流偏置的反射鏡角位移。諧振器由涂覆有鋁層(2500 μm x 2500 μm x 0.8 μm)的硅膜(3000 μm x 3000 μm x 12 μm)組成，膜由兩根扭轉(zhuǎn)彈簧(2100 μm x 100 μm x 12 μm)支撐，寬度為30 μm、厚度為0. 8 μm的鋁線沉積在其上。施加的磁場與反向鏡的位移有關(guān)，當線圈偏置電流為50 mA時，獲得傳感器的靈敏度為62 mV·μT^(-1)、共振頻率為364 Hz、品質(zhì)因子為116、53 mHz帶寬的分辨率為0.4 nT、本底噪聲為1.78 nT·Hz^(-1/2)。

圖5 具有光讀出的MEMS磁場傳感器和傳感器工作原理圖

M. Lara-Castro等提出在印刷電路板上實現(xiàn)的MEMS磁場傳感器的便攜式信號調(diào)制系統(tǒng)，它配有能夠諧磁場傳感器的2個正弦信號發(fā)生器。磁場傳感器由共振硅結(jié)構(gòu)(600 μm x 700 μm x 5 μm) 、1個鋁環(huán)(1 μm厚)和4個p型壓敏電阻組成的惠斯登電橋構(gòu)成。2個信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為±100 ppm，分辨率為1 Hz。該系統(tǒng)中，磁場與電壓有近似線性關(guān)系;大氣壓下靈敏度和分辨率分別為0.32 V/T和35 nT。

龍亮等采用MEMS磁扭擺和檢測差分電容構(gòu)成了MEMS磁傳感器。磁扭擺是通過在雙端固定梁的硅薄膜上制作CoNiMnP永磁薄膜獲得，磁傳感器尺寸為3.7 mm x 2.7 mm x 0.5 mm，制備的MEMS磁傳感器具有良好的線性，靈敏度為27.7 fF/mT，最小可分辨磁場大小為36 nT。

3、展望

目前基于Lorentz力的MEMS諧振式磁傳感器主要通過壓阻、光學和電容感測技術(shù)來檢測磁場。這些技術(shù)可為設(shè)計人員提供研制特定應用場合的最佳傳感器方法，例如，壓阻感測適于采用體微加工工藝實現(xiàn)和簡單的信號處理系統(tǒng)。但壓阻感應存在電壓偏移，且電阻易受溫度影響，因此系統(tǒng)中需要提供溫度補償電路。電容感測主要通過表面微加工工藝實現(xiàn)，并將所施加的磁場轉(zhuǎn)換為電輸出信號。該技術(shù)具有很小的溫度依賴性，并允許電子電路與磁傳感器制作在同一芯片上。通常，電容感應的傳感器在大氣壓下具有高的空氣阻尼，為避免它的影響需要對器件進行真空封裝才能提高其靈敏度。利用光學敏感技術(shù)制備的傳感器由于具有抗電磁干擾的特性，因此系統(tǒng)中所需要電路比電容和壓阻敏感技術(shù)的少，可在惡劣環(huán)境中工作，表面和體微加工工藝均適用于這種傳感技術(shù)的優(yōu)點。然而，這些感測技術(shù)都存在著由于焦耳效應而導致傳感器結(jié)構(gòu)發(fā)熱的問題，這會產(chǎn)生熱應力和諧振器的位移。為此，需要進一步對器件散熱、諧振器機械可控性及真空封裝研究，以確保獲得更好的MEMS磁傳感器性能。

隨著微納米技術(shù)的發(fā)展、微機械制造技術(shù)的成熟，越來越多的傳感器開始向著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，它們已成為工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)智能制造的重要動力。其智能應用主要在如下幾方面：

(1) 傳感技術(shù)。構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證對信息進行搜集、整合與傳輸，使工業(yè)生產(chǎn)過程得到更有效的控制。

(2) 數(shù)控生產(chǎn)?？傊骶€模式通過在線診斷，實現(xiàn)對整體工業(yè)生產(chǎn)線的儀表控制。

(3) 自動生產(chǎn)和機械。利用自動化技術(shù)開展機械生產(chǎn)，可顯著提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

4、結(jié)束語0

本文綜述了通過體加工和表面加工方法、利用壓阻、電容和光學技術(shù)制備的基于洛倫茲力的MEMS磁傳感器，并介紹了各種結(jié)構(gòu)磁傳感器的靈敏度、品質(zhì)因子、噪聲和探測極限等特性。隨著納米技術(shù)、集成化技術(shù)以及封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，更多高性能、同時可監(jiān)測多個物理量的智能傳感器會不斷出現(xiàn)。