一种微机械磁场传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种微机械磁场传感器及其制备方法，属于微机电系统领域。该方法通过在器件结构层上制作出金属线圈及焊盘，然后利用干法刻蚀制作出器件结构，并将器件结构进行释放以形成谐振振子。本发明专利技术提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互叠加，增强了输出信号的强度。此外，本发明专利技术所述的微机械磁场传感器具有低功耗、驱动-检测电路简单、受温度影响小、以及工艺简单等优点，具有高度的产业价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁场传感器，特别是涉及，属于微机械磁场传感器设计及微机械加工领域。
技术介绍
通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航，特别是在航海、航天、自动化控制、军事以及消费电子领域，磁场传感器的应用越来越广泛。磁场传感技术向着小型化、低功耗、高灵敏度、高分辨率以及和电子设备兼容的方向发展。根据工作原理磁场传感器可以分为超导量子干涉磁场传感器、霍尔磁场传感器、磁通门磁力计、巨磁阻磁场传感器以及感应线圈磁场传感器。超导量子干涉磁场传感器在所有磁场传感器中灵敏度最高，但其结构复杂、体积庞大、价格昂贵且需要工作在低温环境下；霍尔磁场传感器功耗低、尺寸小，可以测量静态或者动态磁场，但其灵敏度低，噪声水平及静态偏移较大；磁通门磁力计用来测量静态或者缓慢变化的磁场，分辨率高、功耗小，但体积较大、频率响应较低；巨磁阻磁场传感器灵敏度高，但是不能测量大的磁场；感应线圈磁场传感器是基于法拉第电磁感应定律来探测变化的磁场，它的功耗低，结构简单(A. L. Herrera-May, L. A. Aguilera-Cortes,P.J.Garcia-Ramirez and Ε· Manjarrez, “Resonant magnetic field sensors based onMEMS technology”，Sensors, vol.9, no.10，pp.7785-7813,2009.) 利用 MEMS(MicroElectro Mechanical system,微电子机械系统)技术制作的感应线圈磁场传感器结构简单，易于加工，与 CMOS IC (Complementary Metal Oxide Semiconductor IntegratedCircuit，互补金属氧化物半导体集成电路)工艺相兼容。MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点。MEMS技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务，这样促进了磁场传感器的发展。目前，MEMS结构的磁场传感器主要工作原理是通有电流的感应线圈受到磁场作用的洛伦兹力后，引起支撑线圈的结构发生弯曲或者扭转，通过电容检测或者压阻检测、光学检测等方法测量出支撑线圈结构的扭转变形量或者弯曲变形量，就可以检测出磁场信号的大小。这些器件一般是将感应线圈制作在悬臂梁、U型梁或者可以弯曲或扭转的平板上。器件工作时，将器件放置在磁场中，并在感应线圈上通入电流。感应线圈就会受到洛伦兹力，洛伦兹力会引起悬臂梁、U型梁或者平板的弯曲或者扭转。通过测量悬臂梁、U型梁或者平板弯曲量或者扭转量的大小，就可以检测出磁场的大小。但是，由于这些器件工作都需要给感应线圈通入电流，因而他们的功耗比较大；另外这些器件一般工作在弯曲模态或者扭转模态，因而它们工作的谐振频率较低。鉴于此，如何提出，可以使所制备的传感器具有体积小、结构简单、低功耗、及抗干扰的特点，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中功耗大、结构复杂、以及抗干扰差的问题。为实 现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供。一种微机械磁场传感器的制备方法，至少包括I)提供一 SOI 衬底；2)在所述SOI衬底顶层硅上沉积一层电绝缘介质层，通过对该电绝缘介质层进行图案化处理和刻蚀工艺以分别保留预制备谐振振子区域、预制备测试焊盘区域、预制备支撑梁区域、以及预制备锚点区域的电绝缘介质层；3)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一或多层金属线圈，并在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘；4)通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，然后利用氢氟酸腐蚀掉对应所述谐振振子区域下方的所述SOI衬底埋氧层以释放器件结构形成谐振振子。可选地，在步骤I)中所述SOI衬底的埋氧层与顶层硅之间预开设一对应所述谐振振子区域的腔体时，所述步骤4)包括通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，同时释放器件结构以形成谐振振子。可选地，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括在所述SOI衬底顶层硅上和对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。可选地，所述金属线圈为围绕所述电绝缘介质层周缘一周的圆形或方形线圈，且所述线圈的始、末两端通过所述支撑梁连接到所述两个测试焊盘。可选地，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括3-1)在所述顶层硅和对应所述谐振振子区域内的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域内形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘；3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端；3-3)沉积第二层金属薄膜，并对其进行光刻及刻蚀以形成金属引线，且所述金属引线的始端与所述第一层金属线圈始端相连接，其末端通过支撑梁连接到测试焊盘。可选地，所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘，所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状；进一步可选地，所述金属引线为直线、曲线、或折线。可选地，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上多层金属线圈时，所述步骤3)还包括3-1)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域内形成金属线圈；3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端；顺序重复执行步骤3-1)、及3-2)的工艺，制备出多层金属线圈的串联；且在制备最后一层所述金属线圈时，通过光刻及刻蚀工艺分别在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。可选地，所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘，所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。进一步可选地，所属多层金属线圈的串联方式为连续的第奇数个和第偶数个所述金属线圈通过始端相连，连续的第偶数个和第奇数个所述金属线圈通过末端相连，且各该金属线圈具有相同的绕向和形状。可选地，所述支撑梁的一端连接所述谐振振子，另一端连接所述锚点，以固定所述谐振振子；所述测试焊盘位于具有所述电绝缘介质层的锚点上；所述金属焊盘位于不具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，至少包括 .1)提供一SOI衬底； .2)在所述SOI衬底顶层硅上沉积一层电绝缘介质层，通过对该电绝缘介质层进行图案化处理和刻蚀工艺以分别保留预制备谐振振子区域、预制备测试焊盘区域、预制备支撑梁区域、以及预制备锚点区域的电绝缘介质层； .3)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一或多层金属线圈，并在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘； .4)通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，然后利用氢氟酸腐蚀掉对应所述谐振振子区域下方的所述SOI衬底埋氧层以释放器件结构形成谐振振子。2.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在步骤I)中所述SOI衬底的埋氧层与顶层硅之间预开设一对应所述谐振振子区域的腔体时，所述步骤4)包括 通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，同时释放器件结构以形成谐振振子。3.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括 在所述SOI衬底顶层硅上和对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。4.根据权利要求3所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属线圈为围绕所述电绝缘介质层周缘一周的圆形或方形线圈，且所述线圈的始、末两端通过所述支撑梁连接到所述两个测试焊盘。5.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括 .3-1)在所述顶层硅和对应所述谐振振子区域内的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域内形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘； . 3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端； .3-3)沉积第二层金属薄膜，并对其进行光刻及刻蚀以形成金属引线，且所述金属引线的始端与所述第一层金属线圈始端相连接，其末端通过支撑梁连接到测试焊盘。6.根据权利要求5所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘。7.根据权利要求6所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。8.根据权利要求5所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属引线为直线、曲线、或折线，且所述金属弓I线的材质为金或铝。9.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上多层金属线圈时，所述步骤3)还包括 3-1)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域内形成金属线圈； 3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，吴国强，徐德辉，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：