付春末, 熊 斌, 陸仲明, 王文杰

(1.中國科學院 上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050；2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

磁場傳感器作為一種能夠將磁場轉換為電信號的傳感器，如今被廣泛應用于地磁場測量、磁探傷以及醫(yī)療等多種場景下[1]。隨著時代的發(fā)展，對于可方便攜帶且便于集成化的磁場傳感器的需求與日俱增。微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)磁場傳感器相較于傳統(tǒng)傳感器，具有成本低、體積小，可與CMOS工藝兼容等優(yōu)點[2]，成為目前磁場傳感器研究的主要方向。如1991年，Donzier E等人曾報道的諧振式磁場傳感器[3],文獻[4]報道的在大氣壓下工作的諧振式磁場傳感器,2014年,Mehdi zadeh E等人報道的基于自放大機制的高Q值洛倫茲力MEMS磁場傳感器[5]，2016年，Ghosh S等人報道的基于電容檢測的諧振式磁場傳感器[6]等。對三軸MEMS磁場傳感器的研究目前也是廣泛研究的重點。Marra C R等人巧妙地設計了一種嵌套式諧振結構，并令其同時工作在3種不同的諧振模態(tài)下，實現(xiàn)了利用單個器件對三軸磁場的測量[7]。文獻[8]利用分時復用技術，通過更改激勵電流的流向，完成了單一結構對三軸磁場的測量。Yeh P C等人提出了一種利用壓電效應的三軸磁場傳感器實現(xiàn)了對三軸磁場的檢測[9]。上述傳感器可通過增加驅動電流來提高諧振結構所受到的洛倫茲力的大小，進而通過增加諧振結構的位移量，達到提高靈敏度的目的。但隨之帶來的是器件功耗的提升，以及動態(tài)范圍的下降。如何解決高靈敏度與器件功耗，動態(tài)范圍之間存在的矛盾關系，是MEMS磁場傳感器的研究所面臨的挑戰(zhàn)之一。

針對現(xiàn)有MEMS三軸磁場傳感器所面臨的一些挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于法拉第電磁感應定律的單片集成MEMS三軸磁場傳感器，為可與現(xiàn)有加速度計、陀螺儀等MEMS器件兼容制造的三軸MEMS磁場傳感器提供一種參考途徑。本文對所制作的基于法拉第電磁感應定律的單片集成MEMS三軸磁場傳感器，在傳感器結構，制作方法以及性能等幾個方面進行了展示。

1 器件設計

本團隊曾經報道了2種可以對面內與面外磁場進行獨立測量的器件，同時構想了一種單片集成方案[10]。但該方案中傳感器內部空間并未充分利用。本文在原有4S梁器件的基礎上，提出了2S梁器件的設計。本文設計相比于原來的設計，將原有的4根諧振梁更改為2根諧振梁，縮小了器件尺寸；同時，該設計可通過錨點進行多個相同結構器件的耦合，理論上，傳感器對Z軸磁場的靈敏度可在不更改器件諧振頻率的條件下通過器件耦合的方式線性提升，提高了傳感器內部空間的利用率。同時，針對扭轉框結構器件進行了改進。通過將其錨點移至框體外部以及在框體上增加阻尼孔等方式，用以提高器件的Q值。經過上述改進后，整個傳感器由3個獨立的裝置構成：對面外磁場的測量由2S梁耦合結構器件進行，對面內磁場的測量由2個敏感軸相互垂直的扭轉框結構器件進行。

本文中提出的器件工作原理基于法拉第電磁感應定律

(1)

式中ε為閉合線圈兩端產生的電動勢,V;N為線圈匝數(shù);B為被測磁場的磁感應強度，T;S為閉合線圈面積，m2;t為時間，s。由式(1)可以看到，當流過閉合線圈內的磁通量發(fā)生變化時，閉合線圈兩端將產生一個與被測磁感應強度大小成正比的電壓。本文所設計的磁場傳感器采用靜電推挽驅動，通過在諧振結構上施加直流偏置、梳齒驅動電極上施加交流驅動信號的方式進行工作。圖 1分別展示了，利用COMSOL Multiphysics 5.5軟件對兩種不同結構的器件建模仿真的結果。

由圖1可知，對2S梁耦合結構，其所需的平面收縮擴張振動模態(tài)為106.27 kHz，對扭轉框結構，其所需的扭轉振動模態(tài)為14.305 kHz。

圖1 利用COMSOL軟件仿真得到的2S梁耦合結構和扭轉框結構的特征頻率與特征模態(tài)

2 器件制造

本文中報道的MEMS磁場傳感器通過MEMS工藝制作得到，主要包含光刻、刻蝕、鍵合、濺射等工藝流程。制造過程的簡要工藝流程如圖2所示，并且對每一步的工藝目的在下方做了概述。

圖2 單片集成MEMS三軸磁場傳感器的工藝流程

圖2(a)為通過光刻與反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)工藝，將對準標記刻蝕在襯底上；并將用于下一步工藝流程的二氧化硅(SiO2)掩模制備在基底上；圖2(b)為通過光刻與深反應離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)工藝，為諧振結構提供諧振空腔，并為交錯梳齒的刻蝕提供硅結構；圖2(c)為通過氫氧化鉀(KOH)溶液對利用鍵合工藝得到的硅片進行結構減薄。隨后利用熱氧工藝提供所需絕緣層。圖2(d)為利用等離子體增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)與磁控濺射等工藝為線圈的制備提供所需材料，并利用光刻與鋁腐蝕工藝得到所需多層鋁線圈；圖2(e)為在第二步工藝的基礎上，通過光刻與DRIE刻蝕等工藝制作驅動扭轉框振動的交錯梳齒雛形；圖2(f)為通過光刻、DRIE刻蝕等工藝將諧振結構釋放在第二步得到的諧振腔體內，并完成交錯梳齒的制作從而完成傳感器的制作過程。

圖3為制作完成的基于法拉第電磁感應定律的單片集成MEMS三軸磁場傳感器以及部分結構的掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖像。需要注明的是，由于傳感器尺寸為9.12 mm×8.88 mm，因此,其整體SEM圖像由多張圖片拼接得到。在圖像中可清楚的看到三軸磁場傳感器由2種不同結構、3個獨立器件構成。諧振梁、鋁線圈、驅動與檢測梳齒、阻尼孔與中央錨點等結構也在放大圖中得到展示。

圖3(a)為單片集成三軸MEMS磁場傳感器的整體SEM照片；圖3(b)為作為彈簧的折疊梁；圖3(c)為中心錨點照片；圖3(d)為用于2S梁耦合結構的檢測梳齒；圖3(e)為位于扭轉框結構上的泄氣孔；圖3(f)為泄氣孔的放大圖片； 圖3(g)為用于扭轉框器件驅動的交錯梳齒結構。

圖3 單片集成三軸MEMS磁場傳感器的SEM圖與部分位置細節(jié)圖

3 測試結果與分析

3.1 諧振特性分析

繪制在相同磁感應強度下，傳感器被施加不同頻率的交流驅動信號時，測試電路的輸出電壓平均值與交流驅動信號頻率的曲線。所用測試電路的放大倍數(shù)為40 000倍，所加直流偏置的大小為25 V。傳感器的交流驅動信號由KEYSIGHT 33210A信號發(fā)生器給出，信號幅值為1.5 Vpp。所需磁場由PEM—4電磁鐵與Model F2031程控電流源產生，磁場大小通過霍爾傳感器Model 1800 Gauss/Tesla meter校訂為-5 mT。測試條件為大氣壓下。測試結果如圖4所示。

圖4 測試結果

在圖4(a)為2S耦合梁結構器件在-5 mT磁場下，電路輸出電壓平均值與交流驅動信號頻率的關系；圖4(b)為扭轉框結構器件在-5 mT磁場下，電路輸出電壓平均值與交流驅動信號頻率的關系。

通過與利用COMSOL Multiphysics 5.5軟件得到的對2種不同結構器件的仿真結果比較，可以看出，實際制作得到的器件中扭轉框結構器件的諧振頻率與理論值相差不大；2S耦合梁結構器件的真實諧振頻率與理論值存在約4 kHz的偏差，這主要是由于制作中存在誤差所導致的。整體而言，兩種器件的諧振頻率與仿真結果相吻合。

3.2 傳感器靈敏度、非線性度與交叉軸抑制比測試

為了得到傳感器的靈敏度與非線性度，需要繪制輸出電壓與磁感應強度的曲線。所用測試電路的放大倍數(shù)為40 000倍，所加直流偏置的大小為25 V。傳感器的交流驅動信號由KEYSIGHT 33210A信號發(fā)生器給出，信號幅值為1.5 Vpp。所需磁場由PEM—4電磁鐵與Model F2031程控電流源產生，磁場大小通過霍爾傳感器Model 1800 Gauss/Tesla meter校訂。測試條件為大氣壓下。當給2S耦合梁結構器件分別施加Z軸、X軸和Y軸磁場時，其輸出曲線如圖5(a)所示；當給扭轉框結構器件分別施加Z軸、X軸和Y軸磁場時，其輸出曲線如圖5(b)所示。

圖5 2S梁耦合結構、扭轉框結構的“電壓—磁感應強度”曲線

由圖5可知，2S耦合梁結構器件對Z軸磁場靈敏度Sz,z為189.32 mV/mT,對X軸磁場交叉軸靈敏度Sz,x為0.615 mV/mT;對Y軸磁場交叉軸靈敏度Sz,y為0.915 mV/mT;扭轉框結構器件對X軸磁場靈敏度Sx,x為56.62 mV/mT,對Z軸磁場交叉軸靈敏度Sx,z為0.33 mV/mT;對Y軸磁場交叉軸靈敏度Sx,y為0.497 6 mV/mT。

需要注意的是，該輸出電壓平均值與被測磁場的磁感應強度之間的比例因子為系統(tǒng)靈敏度。文獻[10]給出了在相同測試電路下，系統(tǒng)靈敏度與器件機械靈敏度之間的轉換公式

(2)

式中SM為器件的機械靈敏度；Soverall為通過線性擬合曲線得到的系統(tǒng)靈敏度；A為整個電路的放大倍數(shù)。根據(jù)式(2)換算得到，2S耦合梁器件的機械靈敏度為7.435 μV/mT，非線性度為0.436 %；扭轉框結構器件的機械靈敏度為2.223 μV/mT，非線性度為0.49 %。2S梁耦合結構器件與扭轉框結構器件的靈敏度相較于本團隊曾報道過的4S梁器件與扭轉框器件的靈敏度(5.8，1.9 μV/mT)略微提高。但2S梁耦合結構器件的非線性度相較于報道過的4S梁器件的非線性度(0.06 %)要大1個數(shù)量級左右，這主要是由于本器件測試電路采用了開環(huán)驅動，靈敏度溫漂、電磁阻尼等影響非線性度的因素未被消除。

同時，由于本傳感器致力于對三維磁場進行測量。因此，對本文中提出的MEMS磁場傳感器交叉軸抑制比的研究是十分必要的。定義X軸為敏感軸，Y軸為交叉軸，定義交叉軸抑制比為

(3)

式中Sx,x定義為傳感器對敏感軸方向磁場的機械靈敏度，Sx,y定義為對交叉軸方向磁場的機械靈敏度。由線性擬合得到，2S梁耦合結構器件的交叉軸機械靈敏度為Sz,x=0.024 2 μV/mT，Sz,y=0.035 9 μV/mT;交叉軸抑制比為γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB;扭轉框結構器件的交叉軸機械靈敏度為Sx,z=0.012 96 μV/mT，Sx,y=0.019 5 μV/mT；交叉軸抑制比為γx,z=44.687 dB，γx,y=41.138 dB。與本團隊曾報道過的數(shù)據(jù)[10]相比，當2S耦合梁結構器件被用于Z軸磁場測量時，其對X軸磁場的交叉軸抑制比略微降低0.251 dB，其對Y軸磁場的交叉軸抑制比提升7.324 dB。當扭轉框結構器件被用于X軸磁場測試時，其對Z軸磁場與Y軸磁場的交叉軸抑制比分別提升了3.687 dB與4.138 dB。

理論上，對于2S耦合梁結構器件，其γz,x、γz,y應為無窮大，即Sz,x、Sz,y應為零，但實測值卻并不是這樣。這是由于以下兩點因素導致的：1)在工藝流程中，諧振結構在釋放后并非完全與襯底水平，因此在測量時，諧振結構與磁場之間存在著角度偏差；2)在實際測量過程中，2S耦合梁結構器件與被測磁場之間存在著因貼片，裝配到接口電路上等因素帶來的角度誤差。這兩種角度誤差問題將導致2S梁耦合結構上附著的鋁線圈對交叉軸方向的等效包圍面積會隨著諧振結構的運動發(fā)生周期性的變化，因此其Sz,x、Sz,y不為零。

對于扭轉框結構器件，其在測量過程中不僅包含與2S耦合梁結構器件相似的角度誤差問題，同時其自身扭轉的運動方式決定了諧振結構上附著的鋁線圈對于Z軸的等效包圍面積也會隨諧振結構的運動發(fā)生周期性的變化。這兩個因素共同導致了γx,z,γx,y并非無窮大。后續(xù)可通過改進工藝流程、優(yōu)化貼片方式以及改進裝配方法等方式，減少角度誤差，進一步提高交叉軸抑制比。

4 結 論

在本文中利用MEMS工藝，設計并制造了一種基于法拉第電磁感應定律的單片集成MEMS三軸磁場傳感器。介紹了該傳感器的設計思路、工作原理以及制作工藝。展示了對該傳感器的諧振特性、靈敏度、非線性度和交叉軸抑制比測試結果。

單片集成MEMS三軸磁場傳感器利用電磁感應原理進行工作，其輸出信號與外界磁場為線性關系。同時，器件的靈敏度可通過提升交流驅動信號的幅值得到提高。因此，在理論上避免了高靈敏度與功耗、動態(tài)范圍之間的矛盾關系。經過測試，2S耦合梁結構器件對Z軸磁場的靈敏度為7.435 μV/mT，非線性度為0.436 %，對X軸磁場與Y軸磁場的交叉軸抑制比分別為γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB。扭轉框結構器件對X軸磁場的靈敏度為2.223 μV/mT，非線性度為0.49 %，對Z軸磁場與Y軸磁場的交叉軸抑制比分別為γx,z=44.687 dB，γx,y=41.138 dB。

目前，仍采用開環(huán)驅動電路對傳感器進行相關測試，閉環(huán)驅動電路由于電路匹配問題仍在優(yōu)化過程中。預計采用閉環(huán)驅動電路進行測試后，傳感器的靈敏度將得到提高，非線性度將得以降低。后續(xù)通過改進工藝流程，優(yōu)化貼片方法和改進裝配方法等方式，可以進一步提高交叉軸抑制比。