MEMS磁場傳感器的設(shè)計及測試

陳 潔 秦 明 黃慶安

(東南大學(xué)MEMS教育部重點實驗室，南京 210096)

磁場傳感器廣泛用于汽車、輪船和飛機(jī)的高精確度導(dǎo)航和定位，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)學(xué)生物電檢測和疾病檢測等，可以獲取異常微弱的信號和探索危險以及人類不能夠到達(dá)的領(lǐng)域.

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)的發(fā)展，磁場傳感器向小型化和微型化發(fā)展，不僅降低了制作成本，還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù).和傳統(tǒng)器件相比，MEMS磁場傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點.

20世紀(jì)后期，磁通門器件和霍爾器件廣泛地應(yīng)用于磁場測量，這些器件尺寸小，可以和CMOS工藝兼容，性價比較高，但是此類器件功耗高，限制了其發(fā)展［1］.近年來，隨著 MEMS技術(shù)的發(fā)展，研制出了多種微型化的磁場傳感器，如法國的Latorre等［2-4］提出的懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS磁場傳感器，此結(jié)構(gòu)在懸臂梁的根部集成壓阻，通過測量壓阻的輸出得到結(jié)構(gòu)在磁場作用下受洛倫茲力后產(chǎn)生的變形.扭擺式MEMS磁場傳感器最早由Eyre等［5］提出，該傳感器通過測量在磁場作用下受力后結(jié)構(gòu)扭擺的幅度得到磁場的大小.Sunier等［6］提出的諧振式磁場傳感器，受力以后結(jié)構(gòu)諧振頻率發(fā)生變化，由此實現(xiàn)磁場測量.Brugger等［7-9］提出了一種諧振式磁場傳感器，此種傳感器包括一個兩端有間隙的磁聚能器，制作時需使用軟磁材料.上述這些磁場傳感器主要用于測量磁場的大小，不能分辨磁場的方向.Allen等［10-12］提出了一種梳齒磁場傳感器，利用永磁體和磁場的相互作用使梳齒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，用來測量磁場的方向，但這種結(jié)構(gòu)中含有永磁體，不能采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝加工，無法與處理電路相集成.

本文提出了一種新的磁場檢測方法，用于磁場檢測的傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和后處理來實現(xiàn).該傳感器采用電磁感應(yīng)的測量原理，結(jié)構(gòu)簡單，便于測量，功耗低，受溫度影響小.

1 傳感器工作原理

本文提出的磁場傳感器結(jié)構(gòu)主要是由U型梁構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，梁上鍍金屬線，可以看作是一層金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線從梁的一側(cè)進(jìn)入，環(huán)繞梁一周以后從梁的另外一側(cè)流出，形成回路.當(dāng)金屬線上通電流時，在磁場作用下金屬線上受力結(jié)構(gòu)就會擺動或者振動.

圖1 諧振結(jié)構(gòu)磁場傳感器

當(dāng)金屬線通上正弦電流后，由于磁場方向與結(jié)構(gòu)上的金屬線(長度為l1)垂直(見圖1)，與支撐梁平行，所以支撐梁上金屬線不產(chǎn)生洛倫茲力，只有結(jié)構(gòu)頂部金屬線(長度為l1)上產(chǎn)生洛倫茲力，即

式中，i為正弦電流;B為磁場強度.

將此結(jié)構(gòu)等效看作彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)，則

式中，k為結(jié)構(gòu)的剛性系數(shù);x為結(jié)構(gòu)振動的幅度.

由于結(jié)構(gòu)被看作彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)的振動幅度可表示為

式中，A為結(jié)構(gòu)的振幅;ω為振動的角速度;φ為結(jié)構(gòu)振動的初相角.

由此得到金屬線的振動速度為

由式(1)～(4)聯(lián)立得到

當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時，金屬線會隨著結(jié)構(gòu)一起振動，在磁場作用下金屬線上就會產(chǎn)生感生電動勢ξ，

為了提高傳感器的靈敏度，使結(jié)構(gòu)在諧振頻率處振動，得到感生電動勢為

式中，Q為結(jié)構(gòu)在振動時的品質(zhì)因子.結(jié)構(gòu)在正弦電流的作用下會產(chǎn)生振動，當(dāng)所加的電流頻率和結(jié)構(gòu)本振頻率相同時，結(jié)構(gòu)就會諧振，此時振幅達(dá)到最大.

2 傳感器模擬和仿真

為了優(yōu)化傳感器的性能，利用ANSYS有限元分析工具對其進(jìn)行模擬與仿真.傳感器是采用結(jié)構(gòu)振動時金屬線切割磁場產(chǎn)生感生電動勢來達(dá)到測量磁場的目的.為了能夠測量出感生電動勢，U型梁的前端應(yīng)該是對稱形式的振動.如果是反對稱形式的振動，感生電動勢就會相互抵消，不利于測量.對傳感器的諧振頻率和振動模態(tài)進(jìn)行了模擬，模擬過程中結(jié)構(gòu)的一些機(jī)械參數(shù)如表1所示.

表1 有限元模擬使用的參數(shù)

由振動理論可知，振動時模態(tài)較低產(chǎn)生的響應(yīng)較大，所以本文對結(jié)構(gòu)的前4階模態(tài)進(jìn)行了模擬，得到的結(jié)構(gòu)前4階振動模態(tài)如圖2所示.

圖2 U型結(jié)構(gòu)前4階模態(tài)

從圖2中可看出，不同的模態(tài)下結(jié)構(gòu)的振動模式不同，一階和二階模態(tài)運動主要以整體平行擺動和轉(zhuǎn)動為主，三階模態(tài)是在一階擺動的基礎(chǔ)上加上了扭動的彎曲振動;一階和三階的運動是對稱形式的運動，二階和四階的運動是反對稱形式的運動.從模態(tài)分析可看出，一階和三階模態(tài)較利于測量.通過模擬仿真得到的頻率分別為1.99，5.87，16.92，23.93 kHz.

圖3為U型梁頻率響應(yīng)的測試曲線.可看出，一階和三階頻率分別為2.12和16.02 kHz，偶次諧波被壓制，所得到的運動頻率和模擬的基本接近，兩者的誤差為6.26%和5.30%.

圖3 U型梁頻率響應(yīng)曲線

3 傳感器加工

傳感器采用PN結(jié)自停止腐蝕工藝釋放完成.首先對4英寸(10.16 cm)的硅片進(jìn)行N+擴(kuò)散和氧化，擴(kuò)散層的厚度和梁最終的厚度相同，接著濺射金屬并刻蝕引線，然后背面電化學(xué)腐蝕襯底到N+擴(kuò)散層停止，最后正面ICP釋放結(jié)構(gòu)，具體工藝過程如圖4所示.所得到的結(jié)構(gòu)如圖5所示.

4 測試結(jié)果及分析

圖4 傳感器的制造工藝流程圖

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)在結(jié)構(gòu)的金屬線上加電流時，在磁場作用下結(jié)構(gòu)就會受力的作用，并且隨著磁場的改變，結(jié)構(gòu)上受力的大小和方向也會隨之發(fā)生改變，這樣就會影響結(jié)構(gòu)的振動和擺動的幅度.所加的磁場平行于平板所在平面，并與支撐梁方向平行.

對結(jié)構(gòu)在磁場作用下的振動幅度進(jìn)行了測試，由于測量所得到的信號較小，所以在測試時需要接放大電路.由于放大電路在低頻時噪聲干擾較大，所以本實驗利用三階模態(tài)進(jìn)行測量，所對應(yīng)的頻率為16.02 kHz.采用多普勒儀直接測量結(jié)構(gòu)在振動時的振幅，圖6為U型梁金屬線加上電流多次測量所得到的振幅曲線，結(jié)構(gòu)上所加的電流(I)從2 mA到20 mA不斷增加，電流的頻率為16.02 kHz(對應(yīng)三階模態(tài)的頻率)，所加的磁場強度(B)為88 mT.從圖6中可看出，隨著金屬線上所加電流的增加，結(jié)構(gòu)的振動幅度也隨之增大，電流在2～20 mA變化范圍內(nèi)，振幅變化約為250 nm，基本成線性變化，與理論預(yù)測的結(jié)果符合.

圖6 傳感器電流與振幅關(guān)系圖

圖7給出了磁場與振動幅度的關(guān)系曲線，測量時振動幅度采用多次測量得到.由圖7可看出，激勵電流固定不變(10 mA)時，磁場的變化影響了振動的幅度，隨磁場的增加結(jié)構(gòu)的振動幅度也增加，基本成線性關(guān)系.

圖7 磁場強度與振幅關(guān)系

本文中的傳感器只包含一根金屬線，被先后用于U型梁的激勵和檢測.金屬線首先加上正弦電流，此時由于在磁場中受到洛倫茲力的作用，梁產(chǎn)生振動;然后將此電流斷開，由于梁在諧振頻率點振動，結(jié)構(gòu)仍然處于振動狀態(tài)，此時在磁場中產(chǎn)生的感生電動勢即為傳感器的輸出信號.由于所測量的感生電動勢較小，所以在測試時增加了測量放大電路，放大倍數(shù)約為3×104倍.圖8給出了結(jié)構(gòu)在磁場作用下的輸出電壓波形與磁場的關(guān)系.從圖8可看出，在電流分別為6和10 mA情況下，輸出的感生電動勢隨磁場的增大而增加，基本成二次曲線的關(guān)系，與理論趨勢相吻合;隨著電流的增加靈敏度也提高了，輸出信號放大后實驗所得到的最大靈敏度在磁場為29 mT的位置，其值為14 mV/mT.圖9給出了輸出電壓與輸入電流的變化曲線，當(dāng)磁場強度固定為88 mT時，電流從2 mA逐漸增加到16 mA，可看出隨著電流不斷增加，感生電動勢的輸出也隨著相應(yīng)變大，基本成線性關(guān)系，與放大相應(yīng)倍數(shù)的模擬結(jié)果對比，最大誤差小于5%.

圖8 輸出電壓與磁場強度的關(guān)系

圖9 輸出電壓與激勵電流關(guān)系

5 結(jié)語

本文利用微電子機(jī)械加工技術(shù)研制出一種結(jié)構(gòu)簡單的新型磁場傳感器.并采用ANSYS軟件對傳感器的頻率及不同的模態(tài)振動方式進(jìn)行了模擬，有限元模擬結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以用于磁場的測量.實驗測試表明該傳感器在磁場強度為mT范圍有明顯的響應(yīng)，輸出結(jié)果和理論及模擬結(jié)果基本吻合.所得到的輸出結(jié)果是經(jīng)過放大濾波電路得到的，測試得到的靈敏度為14 mV/mT.

References)

［1］ Lenz J E.A review of magnetic sensors［C］//Proceedings of theIEEE. Piscataway， NJ， USA， 1990:973-989.

［2］ Baglio S，Latorre L，Nouet P.Resonant magnetic field microsensors in standard CMOS technology［C］//Instrumentation and Measurement Technology Conference.Venice，Italy，1999:452-457.

［3］ Beroulle V，Bertrand Y，Latorre L，et al.Monolithic piezoresistive CMOS magnetic field sensors［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2003，103(1):23-32.

［4］ Dumas N，Azais F，Latorre L，et al.On-chip electrothermal stimulus generation for a MEMS-based magnetic field sensor［C］//Proceedings of the 23rd IEEE VLSI Test Symposium.Palm Springs，CA，USA，2005:213-218.

［5］Eyre B，Pister K S J，Kaiser W.Resonant mechanical magnetic sensor in standard CMOS［J］.IEEE Electron Device Letters，1998，19(12):496-498.

［6］Sunier R，Vancura T，Li Y，et al.Resonant magnetic field sensor with frequency output［J］.Journal of Microelectromechanical Systems， 2006， 15 (5):1098-1107.

［7］Brugger S，Simon P，Paul O.Field concentrator based resonant magnetic sensor［C］//IEEE Conference on SENSORS.Daegu，Korea，2006:1016-1019.

［8］ Brugger S，Paul O.Resonant magnetic microsensor with μT resolution［C］//IEEE Conference on MEMS.Tucson，AZ，USA，2008:944-947.

［9］ Brugger S，Paul O.Field-concentrator-based resonant magnetic sensor with integrated planar coils［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2009，18(6):1432-1443.

［10］ Leichle T C，Ye W，Allen M G.A sub-μW micromachined magnetic compass［C］//IEEE Conference on SENSORS.Kyoto，Japan，2003:514-517.

［11］ Leichle T C，Arx1 M V，Reiman S，et al.A lowpower resonant micromachined compass［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2004，14(4):462-470.

［12］Choi S，Kim S H，Yoon Y K，et al.A magnetically excited and sensed MEMS-based resonant compass［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(10):3506-3508.