基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器及其制备方法技术

本公开提供了一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器及其制备方法，该MEMS磁阻传感器包括：横向谐振器，谐振方向为横向；一对磁通量聚集器，设于横向谐振器上；纵向谐振器，设于横向谐振器的对称轴上，谐振方向为纵向；磁阻式敏感元件，设于所述纵向谐振器表面，位于所述一对磁通量聚集器之间。可实现二维同步调制，从而增加了对外界磁场的调制效率。从而增加了对外界磁场的调制效率。从而增加了对外界磁场的调制效率。

【技术实现步骤摘要】
基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器及其制备方法


[0001]本公开涉及磁阻传感器
，尤其涉及一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]磁场广泛存在于生活中，近年来，随着人们对磁场的认识越来越深入，弱磁探测技术也越来越受到人们的重视，在国防、航天、公共安全、医学等领域，弱磁探测技术都发挥着重要的作用。在弱磁场探测技术发展进程中，涌现了大量的磁场传感器，包括磁通门计、霍尔传感器、超导量子干涉仪以及磁阻传感器，其中磁阻传感器具有高灵敏度、高线性度、小尺寸、低功耗、与CMOS工艺兼容的优点，在弱磁探测领域具有极大的应用前景。然而磁阻传感器在应用过程中受1/f噪声干扰较大，1/f噪声的能量集中在低频段，人们探测的微弱磁场如地磁场、生物磁场也为低频场，如何抑制1/f噪声，进而提高磁阻传感器的磁场分辨率，是目前人们急需攻克的科学难题。根据1/f噪声的功率谱密度，人们很自然地想到将磁阻传感器探测的直流或低频磁场调制到高频段，从而有效地避免1/f噪声的影响。根据这一思路，微机电系统(Micro electro
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mechanical system，简称MEMS)成为了人们调制磁场的首选对象，由于谐振器具有较高的谐振频率，将其与磁通量聚集器(Magnetic flux concentrator，简称MFC)结合，可以将直流或低频磁场调制成高频磁场，从而极大地降低1/f噪声的干扰。
[0003]早在2002年，美国陆军实验室的Edelstein等人提出MEMS磁通量调制方案，在该方案中，他们采用一对静电驱动的扭梁作为微机械振子，将MFC沉积在扭梁上，磁阻式敏感元件置于一对扭梁的间隙中，在高频静电力的驱动下，扭梁带动MFC上下翻转，当MFC沿垂直于衬底的方向靠近磁阻式敏感元件时，由于其磁通聚集作用，磁阻式敏感元件探测的磁场增大；当MFC远离磁阻式敏感元件时，磁阻式敏感元件探测的磁场减小。由此，磁阻式敏感元件探测的直流或低频磁场被调制成了高频磁场。受制于当时的实验条件，Edelstein等人提出的方案并未实现，但使得人们对MEMS磁通量调制技术展开了更多的研究。葡萄牙里斯本大学的Guedes等人也制作了几种基于MEMS磁通量调制技术的磁阻传感器，其原理为将谐振器与MFC结合，随着谐振器的高频振动，磁敏感元件探测的直流或低频磁场被调制成高频磁场，但由于实验条件的不成熟，他们制作出的MEMS磁阻传感器磁场调制效率偏低(大多低于10％)，器件的性能还有很大的提升空间。我国国防科技大学的潘孟春教授团队也对磁通量调制技术做了相关研究，他们采用悬臂梁作为谐振器，磁阻式敏感元件置于谐振器下方，MFC分别置于磁阻式敏感元件两端和悬臂梁下表面，悬臂梁高频振动时，其下表面的MFC周期性地靠近和远离磁敏感体，使得磁敏感体探测的磁场在一个极小值与极大值之间周期性地连续变化，磁场也由此变成了高频磁场，目前这种磁通量调制技术的调制效率达到了68.7％，明显优于国外的研究成果，但仍然有较大的提升空间。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器及其制备方法，以至少解决部分上述问题。
[0005]本公开的一个方面提供了一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器，包括：横向谐振器，谐振方向为横向，两个横向质量块的谐振方向相反；一对磁通量聚集器，分设于所述一对横向质量块上；纵向谐振器，设于所述横向谐振器的对称轴上，谐振方向为纵向；磁阻式敏感元件，设于所述纵向谐振器表面，位于一对磁通量聚集器之间。可选地，所述横向谐振器包括：两个横向质量块，谐振方向相反，所述一对磁通量聚集器分设于两个所述横向质量块上；多个第一支撑梁，与所述横向质量块纵向连接，用于支撑所述横向质量块；横向梳齿，设于所述横向质量块的一侧，用于驱动所述横向质量块谐振。
[0006]可选地，两个所述横向质量块通过纵向连接梁连接，以同步两个横向质量块。
[0007]可选地，所述第一支撑梁和连接梁通过锚点固定。
[0008]可选地，所述磁通量聚集器为塔状，靠近所述磁阻式敏感元件的一端宽度与所述磁阻式敏感元件相同，远离所述磁阻式敏感元件的一端宽度大于靠近所述磁阻式敏感元件的一端。
[0009]可选地，所述纵向谐振器包括：纵向质量块；多个第二支撑梁，与所述纵向质量块横向连接，用于支撑所述纵向质量块；
[0010]纵向梳齿，设于所述纵向质量块的一侧，用于驱动所述纵向质量块谐振。
[0011]可选地，所述第二支撑梁通过锚点固定。
[0012]本公开的另一方面提供了一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器的制备方法，包括：在所述SOI片上依次制备SiO2层、底电极、磁阻薄膜、顶电极，其中，所述底电极、磁阻薄膜、顶电极位于所述SOI片中央，侧壁被SiO2覆盖，所述底电极和所述顶电极通过金属电极引出，构成磁阻式敏感元件；在所述磁阻式敏感元件两侧第一预设距离处溅射高磁导率软磁薄膜，构成两个对称设置的磁通量聚集器；在各所述磁通量聚集器远离所述磁阻式敏感元件的一侧的第二预设距离处溅射高导电率金属，制作谐振器电极；刻蚀设备刻蚀所述SOI片表面的SiO2层和器件层，使所述磁阻式敏感元件下方所述SOI片的器件层构成纵向谐振器，所述磁通量聚集器下方的器件层构成横向谐振器；在所述SOI片上方涂覆光刻胶，刻蚀设备刻蚀SOI片的衬底层和埋氧层，释放所述横向谐振器和所述纵向谐振器；去除光刻胶，得到MEMS磁阻传感器。
[0013]可选地，在制备所述磁阻薄膜后，还包括：施加预设磁场，使所述磁阻薄膜的磁畴定向排列。
[0014]可选地，还包括：将所述磁阻薄膜刻蚀成多个矩形，矩形的宽度为2～3um，长度为20～30um；刻蚀底电极，将底电极刻蚀成边长为30～40um的矩形。
[0015]在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0016](1)本公开实施例提供的基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器与以往的MEMS磁阻传感器相比，由于增加了一路谐振器，对磁场可实现二维同步调制作用，使得磁场调制效率有了极大的提升，对1/f噪声的抑制作用也更强；
[0017](2)本公开实施例提供的基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器的谐振器与磁阻式敏感元件在工艺上兼容，避免了装配误差对MEMS磁阻传感器调制效率的干扰。
附图说明
[0018]为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0019]图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器的示意图；
[0020]图2A示意性示出了本公开实施例提供的一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器的磁通量聚集器靠近磁阻式敏感元件的示意图；
[0021]图2B示意性示出了本公开实施例提供的一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器的磁通量聚集器远离磁阻式敏感元件的示意图；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维磁通调制结构的MEMS磁阻传感器，其特征在于，包括：横向谐振器，谐振方向为横向；一对磁通量聚集器，设于所述横向谐振器上；纵向谐振器，设于所述横向谐振器的对称轴上，谐振方向为纵向；磁阻式敏感元件，设于所述纵向谐振器表面，位于所述一对磁通量聚集器之间。2.根据权利要求1所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述横向谐振器包括：两个横向质量块，谐振方向相反，所述一对磁通量聚集器分设于两个所述横向质量块上；多个第一支撑梁，与所述横向质量块纵向连接，用于支撑所述横向质量块；横向梳齿，设于所述横向质量块的一侧，用于驱动所述横向质量块谐振。3.根据权利要求2所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，两个所述横向质量块通过纵向连接梁连接，以同步两个横向质量块。4.根据权利要求2所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述第一支撑梁和连接梁通过锚点固定。5.根据权利要求1所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述磁通量聚集器为塔状，靠近所述磁阻式敏感元件的一端宽度与所述磁阻式敏感元件相同，远离所述磁阻式敏感元件的一端宽度大于靠近所述磁阻式敏感元件的一端。6.根据权利要求1所述的MEMS磁阻传感器，其特征在于，所述纵向谐振器包括：纵向质量块；多个第二支撑梁，与所述纵向质量块横向连接，用于支撑所述纵向质量块；纵向梳齿，设于所述纵向质量块的一侧，用于驱动所述纵向质量块谐振。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈嘉民，焦奇峰，邹旭东，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：