徐華英， 徐德輝， 熊 斌， 畢 勤， 王東平

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司，上海 201210)

?

一種推挽驅(qū)動(dòng)的微型磁傳感器設(shè)計(jì)*

徐華英1， 徐德輝1， 熊 斌1， 畢 勤2， 王東平2

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司，上海 201210)

利用MEMS工藝，設(shè)計(jì)并制作了一種梳齒推挽驅(qū)動(dòng)的微型磁場(chǎng)傳感器。在器件工作時(shí)，磁傳感器的諧振振子工作在收縮或擴(kuò)張的模態(tài)，進(jìn)而引起諧振振子上的雙層鋁線圈包圍面積發(fā)生變化，即回路線圈中的磁通量發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的感應(yīng)電壓。推挽驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了諧振器驅(qū)動(dòng)力，提高了磁傳感器的靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磁傳感器在大氣環(huán)境下的靈敏度為0.846 99 mV/T，非線性度為-0.265 %。由于傳感器采用差分檢測(cè)電路，減小了磁傳感器的零偏電壓，零偏輸出電壓僅為0.001 9 mV。

磁傳感器； 微機(jī)電系統(tǒng)； 電磁感應(yīng)； 推挽驅(qū)動(dòng)

0 引 言

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。作為地磁場(chǎng)測(cè)量、磁模式成像以及醫(yī)療器械等器件的核心部件，磁傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、海洋和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。磁傳感器就是將磁場(chǎng)、放射線、壓力、溫度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的一種器件。

MEMS磁傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，成為微型磁傳感器研究的發(fā)展趨勢(shì)[2]?，F(xiàn)有的MEMS磁傳感器大部分是基于洛倫茲力實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于洛倫茲力磁場(chǎng)傳感器，一般通過(guò)測(cè)量電容的變化或者壓阻的變化來(lái)測(cè)量微結(jié)構(gòu)的位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，然而有磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力與微結(jié)構(gòu)的變化存在非線性關(guān)系，非線性會(huì)影響傳感器的精度測(cè)量。一部分利用鐵磁材料制作的傳感器容易產(chǎn)生磁滯和磁飽和現(xiàn)象，在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)容易引起較大的零偏輸出。

針對(duì)洛倫茲力磁傳感器和鐵磁材料傳感器的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)原理的推挽驅(qū)動(dòng)微機(jī)械磁傳感器，并分別從設(shè)計(jì)原理、制作步驟、測(cè)試結(jié)果等方面對(duì)該新型磁傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

1 工作原理

微機(jī)械磁傳感器工作在晶面為(100)對(duì)準(zhǔn)晶向?yàn)椤?10〉的硅片上，磁傳感器方形諧振振子工作時(shí)四條邊同時(shí)收縮或擴(kuò)張，其有限元仿真如圖1(a)所示。從諧振器的工作模態(tài)可以看出，位于諧振振子每條邊中點(diǎn)的位置諧振位移最大，靠近錨點(diǎn)的位置基本沒(méi)有位移量。

本文設(shè)計(jì)的磁傳感器采用靜電力驅(qū)動(dòng)，單端口檢測(cè)[3，4]的方式工作，如圖1(b)所示。將直流和交流的疊加信號(hào)施加在方形環(huán)狀諧振振子的四個(gè)電極上，驅(qū)動(dòng)磁傳感器工作。

圖1 磁傳感器工作原理圖

磁傳感器基于電磁感應(yīng)原理工作：當(dāng)穿過(guò)線圈回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(1)

其中，B為外界磁場(chǎng)強(qiáng)度，S為線圈回路所包含的面積，t為時(shí)間。當(dāng)磁傳感器垂直于磁場(chǎng)平面工作時(shí)，諧振振子包圍的面積發(fā)生變化，進(jìn)而諧振振子上的鋁線圈組成的回路中磁通量發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)求和的方式將不同位置的鋁線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行疊加，得到整個(gè)感應(yīng)線圈上的感生電動(dòng)勢(shì)，即

(2)

其中,Di為相鄰兩個(gè)鋁線圈中心的距離。

由于磁傳感器是采用諧振式工作原理，在空氣中工作時(shí)，主要的能量損耗由空氣阻尼損耗、材料損耗、錨點(diǎn)損耗等引起?？諝庾枘嶂饕譃閴耗ぷ枘岷突ぷ枘醄5，6]，本文采用了梳齒狀驅(qū)動(dòng)電極的設(shè)計(jì)來(lái)減小壓膜阻尼對(duì)磁傳感器能量損耗的影響。材料損耗[7]主要是由于材料內(nèi)部存在空位、缺陷等，因此，應(yīng)盡量選擇結(jié)構(gòu)完整的硅片。錨點(diǎn)損耗主要是指諧振振子振動(dòng)時(shí)能量在錨點(diǎn)處沒(méi)有被完全反射回來(lái)，而是通過(guò)錨點(diǎn)與襯底的連接結(jié)構(gòu)傳遞給襯底，造成能量的損失[8]，因此，本文設(shè)計(jì)的磁傳感器采用T型懸浮梁結(jié)構(gòu)，避免了錨點(diǎn)與襯底直接接觸，大大降低了磁傳感器機(jī)械振動(dòng)能量在襯底上的消耗[9，10]。

另外，為了增大磁傳感器的靈敏度，本文采用正負(fù)電極推挽驅(qū)動(dòng)的方式。通過(guò)推挽驅(qū)動(dòng)增大磁傳感器的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而增大線圈的諧振位移，使線圈圍成的面積變化增大，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，回路中的磁通量變化量增大，感應(yīng)線圈兩端檢測(cè)到的感生電動(dòng)勢(shì)將增大，進(jìn)而提高了磁傳感器的靈敏度。

2 制作工藝

磁傳感器的制作主要采用MEMS加工工藝，在制作工程中主要經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、鍵合、濺射等工藝，具體的工藝步驟如下：

1)光刻對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記：在硅片上設(shè)計(jì)十字對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，并圖形化。

2)空腔刻蝕：為了鍵合后的硅片能夠懸浮振動(dòng)，采用DRIE干法刻蝕技術(shù)，刻蝕一定尺寸空腔。

3)鍵合后硅片減薄與熱氧化：硅硅鍵合后，采用KOH濕法腐蝕工藝將結(jié)構(gòu)硅進(jìn)行減薄，并熱氧化二氧化硅薄膜。

4)第一層鋁線圈刻蝕：在二氧化硅層上濺射第一層鋁薄膜，利用光刻、磷酸腐蝕工藝將其圖形化，制作出感應(yīng)線圈，并引出線圈一端的檢測(cè)電極。

5)介質(zhì)層光刻：在形成的鋁線圈上面利用PECVD沉積介質(zhì)層，一般為二氧化硅，用來(lái)隔離兩層鋁線圈，采用RIE技術(shù)進(jìn)行二氧化硅刻蝕，在第一層線圈非電極端開(kāi)口，實(shí)現(xiàn)兩層線圈的連接。

6)第二層鋁薄膜濺射：在介質(zhì)層上，濺射、光刻并用磷酸腐蝕實(shí)現(xiàn)第二層鋁線圈，線圈一端實(shí)現(xiàn)與第一層線圈的連接，另一端通過(guò)檢測(cè)電極引出。

7)結(jié)構(gòu)釋放：通過(guò)光刻和DRIE干法刻蝕技術(shù)制作器件結(jié)構(gòu)，由于襯底空腔的存在，在實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)圖形化的同時(shí)，也將諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了釋放。

磁傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“硅空腔—二氧化硅—硅器件”的形式，硅空腔為諧振器提供一個(gè)懸浮的空間，二氧化硅的作用是隔離絕緣，硅器件主要是指鍵合后的硅片上制作的磁傳感器結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)的好處為：一是利用干法刻蝕在制作器件的同時(shí)將結(jié)構(gòu)進(jìn)行釋放；二是結(jié)構(gòu)襯底空腔既能減小諧振振子結(jié)構(gòu)與襯底之間的容性寄生效應(yīng)，同時(shí)也不影響磁傳感器的真空封裝。

利用MEMS工藝制作好的磁傳感器SEM圖片和局部放大的照片如圖2所示。從圖片中可以清楚地看到磁傳感器主要有諧振振子、感應(yīng)鋁線圈、介質(zhì)氧化層、梳齒驅(qū)動(dòng)電極、T型錨點(diǎn)梁、金屬引線焊盤(pán)以及襯底硅預(yù)先刻蝕好的空腔結(jié)構(gòu)。

圖2 磁傳感器和T型錨點(diǎn)梁的SEM照片

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 電學(xué)特性測(cè)試

磁傳感器的電容間隙寬度為2μm，在釋放工藝結(jié)束后，容易出現(xiàn)釋放不均勻，出現(xiàn)部分黏連現(xiàn)象，如圖3(a)所示。因此，在器件進(jìn)行磁場(chǎng)響應(yīng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)先對(duì)器件進(jìn)行篩選，最主要的就是檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電容間隙是否制作完好?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)試電容值來(lái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電極是否釋放完全，若電容間隙沒(méi)釋放完全，則基本測(cè)不到電容值；相反，若電容釋放完好，則能夠測(cè)到較為穩(wěn)定的電容值。圖3(b)顯示的是釋放完好的驅(qū)動(dòng)電極的C—V特性曲線，從測(cè)試曲線可以看出：在不同測(cè)試電壓下驅(qū)動(dòng)電極的電容約為0.6pF。由于電容間隙的剛度比較大，電容間隙的寬度基本不隨所加電壓的增大而變化，因此，測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電極電容基本不隨直流電壓的增大而發(fā)生變化。

圖3 釋放失敗的電容間隙以及完好的電容與測(cè)試電壓的關(guān)系圖

3.2 磁場(chǎng)響應(yīng)測(cè)試

在空氣中，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)磁傳感器的性能進(jìn)行測(cè)試。磁場(chǎng)由直流電磁鐵PEM—5005產(chǎn)生，設(shè)置測(cè)試磁場(chǎng)的范圍為20～200mT，測(cè)試步長(zhǎng)為20mT。磁傳感器的傳輸特性曲線如圖4(a)所示，通過(guò)曲線可以看出：諧振頻率隨磁場(chǎng)的增大略微減小，這是由于“電學(xué)剛度軟化”效應(yīng)引起的[11]。磁場(chǎng)越大，傳輸曲線峰值越大，說(shuō)明磁傳感器產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)越大。

圖4 磁傳感器的磁場(chǎng)響應(yīng)曲線

磁傳感器的靈敏度曲線如圖4(b)所示，可以看出磁傳感器的感生電動(dòng)勢(shì)與外界磁場(chǎng)存在良好的線性關(guān)系，非線性度僅為-0.265 %，在無(wú)任何放大倍數(shù)的前提下，磁傳感器的靈敏度為0.846 99mV/T。磁傳感器采用差分電路進(jìn)行檢測(cè)，大大降低了磁傳感器的零偏，僅為0.001 9mV。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MEMS工藝設(shè)計(jì)了一種微型磁傳感器，介紹了磁傳感器的制作原理及其具體的工藝實(shí)現(xiàn)步驟，闡釋了磁傳感器的測(cè)試方法與其電學(xué)特性、諧振特性和磁場(chǎng)響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。磁傳感器利用電磁感應(yīng)原理工作，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與外界磁場(chǎng)為線性關(guān)系，測(cè)試結(jié)果不存在鐵磁材料傳感器在應(yīng)用中易產(chǎn)生的磁滯和磁飽和現(xiàn)象，大大提高了磁傳感器的線性度。為了能夠提高靈敏度，采用了梳齒推挽電極驅(qū)動(dòng)，減小了空氣阻尼對(duì)器件的影響，增大了對(duì)傳感器的驅(qū)動(dòng)力。磁傳感器采用差分電路進(jìn)行檢測(cè)，大大降低了器件的零偏輸出。

[1]WickendenDK,GivensRB,OsianderR,etal.MEMS-basedresonatingxylophonebarmagnetometerss[J].MicromachinedDevicesandComponents，1998(4):350-358.

[2]AgustinL,Herrera-MayLuz,Aguilera-CortésA,etal.ResonantmagneticfieldsensorsbasedonMEMStechnology[J].Sensors,2009,9:7785-7813.

[3]ClarkJR.High-QUHFmicromechanicalradial-contourmodediskresonators[J].MicroelectromechSyst,2005,14(6):1298-1310.

[4]LinATH,LeeJEY,YanJ.Methodsforenhancedelectricaltransductionandcharacterizationofmicromechanicalresonator-s[J].Sensors&ActuatorsA:Phys,2010,158:263-272.

[5]VeijolaT,KuismaH,LahdenperJ.Equivalent-circuitmodelofthesqueezedgasfilminasiliconaccelerometer[J].SensorsandActuatorsA:Phys,1995,48(3):239-248.

[6]MukhiyaR,BhattacharyyaTK.SqueezefilmairdampinganalysisofMEMSpiezoresistiveaccelerometer[J].SemiconductorElectronics,2008,11:198-202.

[7]AkgulM,KimB,HungLW,etal.Oscillatorfar-fromcarrierphasenoisereductionvianano-scalegaptuningofmicromechanicalresonators[C]∥ProcofTransducers,2009,158 :798-801.

[8]LeeJEY,SeshiaAA.Qualityfactorenhancementofbulkacousticresonatorsthroughanchorgeometrydesign[C]∥ProcofEurosensorsXXII,2008:536-539.

[9]KaajakariV,MattilaT,OjaA,etal.Square-extensionalmodesingle-crystalsiliconmicromechanicalresonatorforlow-phase-noiseoscillatorapplications[J].ElectronDeviceLetters,IEEE,2004,25(4):173-175.

[10]LeeJoshuaEn-Yuan.Siliconmicromechanicalresonatorsformeasurementsofmassandcharge[M].Cambridge:UniversityofCambridge,2008:68-70.

[11]ShaoLC,NiuT,PalaniapanM.Nonlinearitiesinahigh-QSOIlame-modebulkresonnator[J].MicromechMicroeng,2009,19(7):075002.

Design of a push-pull driving micro-magnetic sensor*

XU Hua-ying1， XU De-hui1， XIONG Bin1，BI Qin2，WANG Dong-ping2

(1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050 China;2.Shanghai Integrated Micro-system Technology,Shanghai 201210,China)

Based on the MEMS technology,a comb-shaped push-pull driving micro-magnetic sensor is designed and fabricated.When measuring the external magnetic field,the resonator of sensor works in contracting and extensional modal,therefore the surrounding area by double-layer Al coils will change,as a result,magnetic flux in loop coils vary.According to the principle of electromagnetic induction,induced electromotive force will generate proportional to magnetic field at the two terminals of the coils.The experimental results show that the sensitivity of magnetic sensor in air environment is 0.846 99 mV/T,and the nonlinearity is -0.265 %.Using the differential circuit,reduce the zero offset voltage of magnetic sensor,which is only 0.001 9 mV.

magnetic sensor； MEMS； electromagnetic induction； push-pull driving

2015—01—05

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA041109)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306200)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0094—03

TN 305

A

1000—9787(2015)09—0094—03

徐華英(1990-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲㈦娮訉W(xué)與固體電子學(xué)。