一種推挽驅(qū)動的微型磁傳感器設(shè)計*

徐華英， 徐德輝， 熊 斌， 畢 勤， 王東平

(1.中國科學院 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)

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一種推挽驅(qū)動的微型磁傳感器設(shè)計*

徐華英1， 徐德輝1， 熊 斌1， 畢 勤2， 王東平2

(1.中國科學院 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)計并制作了一種梳齒推挽驅(qū)動的微型磁場傳感器。在器件工作時，磁傳感器的諧振振子工作在收縮或擴張的模態(tài)，進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，將會在線圈的兩端產(chǎn)生正比于磁場強度的感應(yīng)電壓。推挽驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計增加了諧振器驅(qū)動力，提高了磁傳感器的靈敏度。實驗結(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； 微機電系統(tǒng)； 電磁感應(yīng)； 推挽驅(qū)動

0 引 言

MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。作為地磁場測量、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)學等領(lǐng)域[1]。磁傳感器就是將磁場、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，以此來檢測相應(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，成為微型磁傳感器研究的發(fā)展趨勢[2]?，F(xiàn)有的MEMS磁傳感器大部分是基于洛倫茲力實現(xiàn)的。對于洛倫茲力磁場傳感器，一般通過測量電容的變化或者壓阻的變化來測量微結(jié)構(gòu)的位移，從而實現(xiàn)對磁場強度的測量，然而有磁場產(chǎn)生的洛倫茲力與微結(jié)構(gòu)的變化存在非線性關(guān)系，非線性會影響傳感器的精度測量。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，在測量磁場時容易引起較大的零偏輸出。

針對洛倫茲力磁傳感器和鐵磁材料傳感器的缺點，本文設(shè)計了一種基于電磁感應(yīng)原理的推挽驅(qū)動微機械磁傳感器，并分別從設(shè)計原理、制作步驟、測試結(jié)果等方面對該新型磁傳感器進行了詳細的介紹。

1 工作原理

微機械磁傳感器工作在晶面為(100)對準晶向為〈110〉的硅片上，磁傳感器方形諧振振子工作時四條邊同時收縮或擴張，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的位置諧振位移最大，靠近錨點的位置基本沒有位移量。

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

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：當穿過線圈回路中的磁通量發(fā)生變化時，線圈回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢

(1)

其中，B為外界磁場強度，S為線圈回路所包含的面積，t為時間。當磁傳感器垂直于磁場平面工作時，諧振振子包圍的面積發(fā)生變化，進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，通過求和的方式將不同位置的鋁線圈產(chǎn)生的感生電動勢進行疊加，得到整個感應(yīng)線圈上的感生電動勢，即

(2)

其中,Di為相鄰兩個鋁線圈中心的距離。

由于磁傳感器是采用諧振式工作原理，在空氣中工作時，主要的能量損耗由空氣阻尼損耗、材料損耗、錨點損耗等引起。空氣阻尼主要分為壓膜阻尼和滑膜阻尼[5，6]，本文采用了梳齒狀驅(qū)動電極的設(shè)計來減小壓膜阻尼對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。錨點損耗主要是指諧振振子振動時能量在錨點處沒有被完全反射回來，而是通過錨點與襯底的連接結(jié)構(gòu)傳遞給襯底，造成能量的損失[8]，因此，本文設(shè)計的磁傳感器采用T型懸浮梁結(jié)構(gòu)，避免了錨點與襯底直接接觸，大大降低了磁傳感器機械振動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，本文采用正負電極推挽驅(qū)動的方式。通過推挽驅(qū)動增大磁傳感器的驅(qū)動力，進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)線圈兩端檢測到的感生電動勢將增大，進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)過光刻、刻蝕、鍵合、濺射等工藝，具體的工藝步驟如下：

1)光刻對準標記：在硅片上設(shè)計十字對準標記，并圖形化。

2)空腔刻蝕：為了鍵合后的硅片能夠懸浮振動，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，用來隔離兩層鋁線圈，采用RIE技術(shù)進行二氧化硅刻蝕，在第一層線圈非電極端開口，實現(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現(xiàn)第二層鋁線圈，線圈一端實現(xiàn)與第一層線圈的連接，另一端通過檢測電極引出。

7)結(jié)構(gòu)釋放：通過光刻和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，在實現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)圖形化的同時，也將諧振結(jié)構(gòu)進行了釋放。

磁傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計為“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將結(jié)構(gòu)進行釋放；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)動電極、T型錨點梁、金屬引線焊盤以及襯底硅預(yù)先刻蝕好的空腔結(jié)構(gòu)。

圖2 磁傳感器和T型錨點梁的SEM照片

3 實驗測試

3.1 電學特性測試

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，在器件進行磁場響應(yīng)測試時，應(yīng)先對器件進行篩選，最主要的就是檢測驅(qū)動電容間隙是否制作完好?？梢酝ㄟ^測試電容值來檢測驅(qū)動電極是否釋放完全，若電容間隙沒釋放完全，則基本測不到電容值；相反，若電容釋放完好，則能夠測到較為穩(wěn)定的電容值。圖3(b)顯示的是釋放完好的驅(qū)動電極的C—V特性曲線，從測試曲線可以看出：在不同測試電壓下驅(qū)動電極的電容約為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，測到的驅(qū)動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試電壓的關(guān)系圖

3.2 磁場響應(yīng)測試

在空氣中，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對磁傳感器的性能進行測試。磁場由直流電磁鐵PEM—5005產(chǎn)生，設(shè)置測試磁場的范圍為20～200mT，測試步長為20mT。磁傳感器的傳輸特性曲線如圖4(a)所示，通過曲線可以看出：諧振頻率隨磁場的增大略微減小，這是由于“電學剛度軟化”效應(yīng)引起的[11]。磁場越大，傳輸曲線峰值越大，說明磁傳感器產(chǎn)生的感生電動勢越大。

圖4 磁傳感器的磁場響應(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勢與外界磁場存在良好的線性關(guān)系，非線性度僅為-0.265 %，在無任何放大倍數(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行檢測，大大降低了磁傳感器的零偏，僅為0.001 9mV。

4 結(jié)束語

本文基于MEMS工藝設(shè)計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現(xiàn)步驟，闡釋了磁傳感器的測試方法與其電學特性、諧振特性和磁場響應(yīng)的測試結(jié)果。磁傳感器利用電磁感應(yīng)原理工作，感應(yīng)電動勢與外界磁場為線性關(guān)系，測試結(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，減小了空氣阻尼對器件的影響，增大了對傳感器的驅(qū)動力。磁傳感器采用差分電路進行檢測，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

國家“863”計劃資助項目(2013AA041109)；國家自然科學基金資助項目(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，主要研究方向為微電子學與固體電子學。