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基于洛倫茲力的MEMS磁傳感器設計及制作
[發布日期:2018-06-07  點擊次數:2114]

摘要:由于磁性傳感技術不會受到灰塵、污垢、油脂、振動以及濕度的影響,因此磁傳感器在工業設備和電子儀器中有著廣泛的應用,如磁共振成像、生產的自動控制、流程工業、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(MEMS)磁傳感器。

0、引言

  磁傳感器技術分類(來源:《磁傳感器市場與技術-2017版》)

  由于磁性傳感技術不會受到灰塵、污垢、油脂、振動以及濕度的影響,因此磁傳感器在工業設備和電子儀器中有著廣泛的應用,如磁共振成像、生產的自動控制、流程工業、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(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;AMR傳感器則要求沉積磁性材料及自動校正系統,且在幾mT時易出現飽和;由于MEMS技術可以將傳統的磁傳感器小型化,因此基于MEMS的磁傳感器具有體積小、性能高、成本低、功耗低、高靈敏和批量生產等優點,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計、制作,傳感技術及器件性質進行綜述,并對其未來發展進行展望。

  磁傳感器市場(來源:《磁傳感器市場與技術-2017版》)

  磁傳感器供應鏈和關鍵廠商(來源:《磁傳感器市場與技術-2017版》)

  1MEMS磁傳感器設計及制作

  1.1 MEMS磁傳感器設計

  為了獲得高性能的MEMS磁傳感器,首先要根據器件的應用對象對器件進行設計,由此確定器件的結構、使用的材料、應用的工作原理和感應技術等。MEMS設計人員可以根據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、信號調制和感應技術的實現等規則,以避免發生影響傳感器性能的錯誤。在開發商用MEMS傳感器時,必須考慮以下幾點:優化器件結構設計;包裝設計;可靠的材料性能和標準制造工藝;合適的設計和仿真工具;減少電子噪聲和寄生電容;可靠的信號處理系統;可靠的測試。

  目前常使用的MEMS設計工具包括MEMSCAPCoventorWareIntelliSuiteSandia Ultra-planar Multi-level MEMS Technology (SUMMiTV) 。這些設計工具具有創建傳感器版圖和檢查設計規則的模塊,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。由于硅具有很好的機械和電學性質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,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構。表面微加工工藝是通過在襯底上進行不同材料層的沉積,圖案化和蝕刻實現對MEMS器件的制造。通常,這些層被用作結構和犧牲層。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、傳感技術及MEMS磁傳感器

  2.1 傳感技術

  可以采用不同的傳感技術制備MEMS磁傳感器,例如壓阻式、電容和光學技術。這些技術能夠將磁場信號分別轉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等條件下應用比電信號檢測更有優勢,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制系統。

  2.2 各類MEMS磁傳感器

  V. Kumar等報道通過內部熱壓阻振蕩放大器實現的洛侖茲力諧振MEMS磁力計具有極高的靈敏度。他們采用偏置電流調諧方法,將諧振器的有效品質因子從680提高到1.14x10^6,已證明內部放大系數提高了1620倍。此外,諧振器偏置電流的增加除了改善器件的品質因子外,也使器件的靈敏度提高了2400(0.9 μV·nT^(-1)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nSOI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),其中間設計的2個窄梁與2Si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,因此呈現壓阻特性。諧諧振器的品質因子在大氣壓下被放大(114016900) 。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、品質因子為16900時,獲得傳感器靈敏度為262 mV/T

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