基于MEMS技術(shù)MOSFETs硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器特性仿真與制作工藝

趙曉鋒，鄧 祁，金晨晨，莊萃萃，溫殿忠

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院， 哈爾濱 150080)

基于MEMS技術(shù)MOSFETs硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器特性仿真與制作工藝

趙曉鋒，鄧 祁，金晨晨，莊萃萃，溫殿忠

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院， 哈爾濱 150080)

給出一種MOSFETs硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器，在方形硅膜上表面的不同位置設(shè)計(jì)4個(gè)p-MOSFETs，溝道電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，并在方形硅膜上表面中央位置制作鐵磁材料。通過(guò)采用ANSYS有限元軟件建立磁傳感器仿真模型，仿真結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)作用下，鐵磁材料受到磁場(chǎng)力，使硅膜發(fā)生彈性形變，產(chǎn)生橋路輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)外加磁場(chǎng)的檢測(cè)?；诜抡娼Y(jié)果，采用CMOS工藝和MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)、制作MOSFETs硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)工作電壓為1.0 V時(shí)，滿量程輸出為0.69 mV，靈敏度為1.54 mV/T，準(zhǔn)確度為3.76% F.S.。

硅橋結(jié)構(gòu)；MOSFET；磁傳感器；ANSYS仿真

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，磁傳感器成為信息科技產(chǎn)業(yè)中一個(gè)重要的組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。除了目前廣泛應(yīng)用的磁傳感器，例如霍爾元件[1-3]、磁敏二極管[4]、磁敏三極管[5-6]和巨磁電阻[7-8]等磁傳感器，近幾年相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道利用磁性材料和半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)的新型磁傳感器。2006年，報(bào)道了劉健等人采用鎳薄膜為敏感元件制作了懸臂梁結(jié)構(gòu)的磁傳感器[9]。2010年，杜廣濤等人研究采用鐵磁材料作為敏感元件的磁傳感器[10]。

本文給出一種硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并采用ANSYS12.1有限元分析軟件對(duì)該傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，該結(jié)構(gòu)能夠完成對(duì)外加磁場(chǎng)的檢測(cè)。基于仿真結(jié)果，利用CMOS工藝和MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器制作，該結(jié)構(gòu)通過(guò)外加?xùn)艠O偏置電壓，可以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移補(bǔ)償，為探討該方法在磁傳感器領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器基本結(jié)構(gòu)

硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器基本結(jié)構(gòu)見圖1。采用CMOS工藝和MEMS技術(shù)在n型<100晶向單晶硅襯底方形硅膜上設(shè)計(jì)、制作4個(gè)p-MOSFETs， p-MOSFETs的溝道長(zhǎng)寬比為320 μm/160 μm，M1管、M3管溝道電阻沿<011晶向，M2管、M4管溝道電阻沿晶向，4個(gè)p-MOSFETs溝道電阻構(gòu)成惠斯通電橋。研究樣品硅膜尺寸為6 000 μm×6 000 μm，硅膜表面的中央位置制作鐵磁材料，鐵磁材料為坡莫合金，尺寸為2 500 μm×2 500 μm×1 000 μm。

1.2 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器工作原理

在外加磁場(chǎng)的作用下，鐵磁材料被磁化，感應(yīng)產(chǎn)生一附加磁場(chǎng)，與外加磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生磁場(chǎng)力。磁場(chǎng)力近似表示[9]：

(1)

式中F為鐵磁材料所受的磁場(chǎng)力；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7N/A2；B為外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為外加磁場(chǎng)和鐵磁材料相互作用面積。

硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器的工作原理示意圖見圖2，4個(gè)p-MOSFETs構(gòu)成的惠斯通電橋見圖2(a)，等效電路見圖2(b)，R1、R2、R3和R4分別為4個(gè)p-MOSFETs溝道等效電阻[11-12]，采用恒壓源供電。

圖1 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the silicon bridge magnetic sensor

圖2 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器工作原理Fig.2 Working principle of of the silicon bridge magnetic sensor

當(dāng)外加磁場(chǎng)B=0 T時(shí)，鐵磁材料受磁場(chǎng)力F為零，硅膜不發(fā)生形變，理想情況下，4個(gè)溝道等效電阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，橋路輸出電壓為：

Vout=Vout2-Vout1=0

(2)

當(dāng)外加磁場(chǎng)B≠0 T時(shí)，鐵磁材料在外加磁場(chǎng)作用下受磁場(chǎng)力F，硅膜發(fā)生彈性形變，沿<011晶向溝道電阻和沿晶向溝道電阻：

(3)

(4)

橋路輸出電壓為[13-15]：

(5)

式中π44為單晶硅壓阻系數(shù)；VDD為外加電壓；σ‖、σ⊥分別為彈性硅膜邊緣的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力。

2 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器有限元仿真

2.1 仿真模型

根據(jù)硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器工作原理，采用ANSYS12.1有限元軟件對(duì)該磁傳感器進(jìn)行磁—結(jié)構(gòu)順序耦合模擬仿真。磁傳感器的三維有限元仿真模型見圖3，模型由永磁體、空氣層、鐵磁材料和C型硅杯4部分組成，忽略鐵磁材料和彈性硅膜間的粘合劑對(duì)硅膜力學(xué)性能的影響。為了方便觀察磁場(chǎng)分布情況，在仿真建模時(shí)，只建立了空氣層的1/4模型。

圖3 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器有限元實(shí)體模型Fig.3 Entity model of finite element for the silicon bridge magnetic sensor

2.2 磁場(chǎng)分布

本文采用永磁體建立三維磁場(chǎng)，并在永磁體的周圍建立體積較大的空氣層，將硅橋結(jié)構(gòu)的磁傳感器放入永磁體的空氣層中，使磁力線垂直通過(guò)制作在磁傳感器硅膜中央的鐵鎳合金的上表面，鐵鎳合金的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.19×104，仿真不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，鐵鎳合金處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖見圖4。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.4 Distribution of the magnetic induction intensity

2.3 硅膜應(yīng)力分布

采用矢量三維節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器仿真。在磁環(huán)境中，將空氣層、鐵磁材料和永磁體定義為SOLID97單元對(duì)，C型硅杯定義為無(wú)效。在結(jié)構(gòu)環(huán)境中，采用線性靜力分析，將鐵磁材料和C型硅杯定義為SOLID45單元，空氣層和永磁體定義為無(wú)效。

本文將Z軸負(fù)方向定義為磁場(chǎng)正方向，不同外加磁場(chǎng)作用下，彈性硅膜形變量見圖5，圖5中將變形放大500倍。由圖5可見，隨外加磁場(chǎng)增加，硅膜形變量增加，仿真結(jié)果表明：該磁傳感器能夠完成對(duì)外加磁場(chǎng)的檢測(cè)。

圖5 硅膜形變量Fig.5 Deformation volume of the silicon membrane

不同外加磁場(chǎng)作用下，硅膜上縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力之差分布見圖6。由圖6可見，應(yīng)力差的絕對(duì)值在硅膜邊緣的中央位置達(dá)到最大， 且隨著外加磁場(chǎng)的增加，應(yīng)力差的絕對(duì)值增大。由式(2)可知，為了提高磁傳感器靈敏度，將4個(gè)MOSFETs設(shè)計(jì)在硅膜邊緣的中央位置，且在有效應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

圖6 硅膜縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力之差分布圖Fig.6 Differential distribution between longitudinal stress and transverse stress of the silicon membrane

2.4 磁特性仿真

圖7 傳感器磁特性仿真曲線Fig.7 Magnetic characteristic simulation curve of the proposed sensor

對(duì)傳感器硅膜上表面應(yīng)力沿MOSFETs溝道電阻所在路徑進(jìn)行積分，計(jì)算硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器在不同磁場(chǎng)下的電壓輸出值。傳感器磁特性仿真曲線見圖7。由圖7可見，隨外加磁場(chǎng)增加，橋路輸出電壓增加，該硅橋結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑼饧哟艌?chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓，實(shí)現(xiàn)外加磁場(chǎng)的檢測(cè)。

3 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器制作及特性

3.1 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器制作工藝

本文采用CMOS工藝和MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)、制作硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器，基本制作工藝[11-13]流程為：①厚度為450 μm的n型<100晶向雙面拋光高阻單晶硅片；②單晶硅片經(jīng)清洗后，生長(zhǎng)厚度為650 nm的SiO2層；③1次光刻，光刻有源區(qū)窗口；④采用離子注入機(jī)進(jìn)行硼注入，形成p型低摻雜；⑤生長(zhǎng)柵極氧化層，厚度為50 nm；⑥采用LPCVD技術(shù)生長(zhǎng)多晶硅，并進(jìn)行多晶硅擴(kuò)散；⑦2次光刻，光刻多晶硅，形成多晶硅柵，并進(jìn)行硼注入，形成p+源區(qū)和漏區(qū)；⑧3次光刻，光刻襯底引線孔，并進(jìn)行磷注入，襯底形成n+；⑨多晶硅氧化，生長(zhǎng)厚500 nm的SiO2層；⑩4次光刻，光刻引線接觸孔；采用磁控濺射系統(tǒng)濺射鋁電極；5次光刻，反刻鋁電極，形成傳感器內(nèi)引線；采用磁控濺射系統(tǒng)在單晶硅片背面二次濺射鋁電極；6次光刻，采用干法刻蝕鋁電極，形成6 mm×6 mm的C型硅杯窗口，在450 ℃下合金化30 min；采用法國(guó)ALCATEL 601E型ICP進(jìn)行深槽刻蝕，C型硅杯膜厚為45 μm；芯片封裝。磁傳感器制作工藝剖面圖見圖8。磁傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖9。

圖8 硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器制作工藝流程圖Fig.8 Fabrication technology process of the silicon bridge magnetic sensor

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 硅橋磁傳感器封裝照片F(xiàn)ig.9 Packaging photographs of the silicon bridge magnetic sensor

在室溫條件下，采用磁場(chǎng)發(fā)生器系統(tǒng)、HP34401A萬(wàn)用表、BJ1790B型恒壓源和高斯計(jì)對(duì)硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性標(biāo)定，恒壓源供電電壓為1.0 V，外加磁場(chǎng)量程為0～0.45 T，循環(huán)測(cè)試3次。硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器在工作電壓為1.0 V時(shí)的磁特性實(shí)驗(yàn)曲線、仿真曲線和理論擬合直線見圖10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器滿量程(0.45 T)輸出0.69 mV，磁靈敏度為1.54 mV/T，線性度為2.41%F.S.。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間存在一定的偏差，主要是由于ANSYS仿真基于虛功原理進(jìn)行磁力計(jì)算，且仿真時(shí)磁力涵蓋了邊緣效應(yīng)，鐵磁體表面各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均勻，使仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在偏差。圖11和圖12分別給出硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器在工作電壓為1.0 V時(shí)重復(fù)性和遲滯特性曲線，重復(fù)性為2.50%F.S.，遲滯為1.45%F.S.。

4 結(jié) 論

本文給出一種硅橋結(jié)構(gòu)MOSFETs磁傳感器，采用ANSYS12.1對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，研究外加磁場(chǎng)對(duì)硅膜應(yīng)力分布影響，仿真結(jié)果給出，鐵磁材料受外加磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生磁力，使彈性硅膜發(fā)生形變，由4 MOSFETs溝道電阻構(gòu)成的惠斯通電橋橋路輸出電壓隨外加磁場(chǎng)增加而增加，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)外加磁場(chǎng)的檢測(cè)。基于仿真結(jié)構(gòu)，采用CMOS工藝和MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)硅橋結(jié)構(gòu)磁傳感器制作，并進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在恒壓源1.0 V供電時(shí)，滿量程輸出為0.69 mV，靈敏度為1.54 mV/T，準(zhǔn)確度為3.76%F.S.，為進(jìn)一步提高該結(jié)構(gòu)磁傳感器特性奠定基礎(chǔ)。

圖10 傳感器磁特性曲線Fig.10 Magnetic characteristic curves of the proposed sensor

圖11 傳感器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)曲線Fig.11 Repeatability curves of the proposed sensor

圖12 傳感器遲滯性實(shí)驗(yàn)曲線Fig.12 Hysteresis curves of the proposed sensor

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Characteristics simulation and fabrication technology of MOSFETs silicon bridge magnetic sensor based on MEMS technology

ZHAO Xiao-Feng， DENG Qi， JIN Chen-Chen， ZHUANG Cui-Cui， WEN Dian-Zhong

(InstituteofElectronicEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

A silicon bridge MOSFETs magnetic sensor is presented. A Wheatstone bridge constituted of four P-MOSFETs on the surface of squared silicon diaphragm is designed， and then fabricated ferromagnetic material on the center of squared silicon diaphragm surface. The simulation of the magnetic sensor was performed by using the finite element software ANSYS. The simulation results show that when the sensor is subjected to an external magnetic field， the ferromagnetic material generates magnetic force bending the silicon diaphragm and generating Wheatstone bridge output voltage， and then the external magnetic field can be detected. According to simulation results， we designed and fabricated the silicon bridge magnetic sensor by CMOS and MEMS technology. The experimental results show that when supply voltage of silicon bridge magnetic sensor is 1.0 V， output， sensitivity and precision are 0.69 mV， 1.54 mV/T， and 3.76%F.S.， respectively.

silicon bridge; MOSFET; magnetic sensor; ANSYS simulation

10.13524/j.2095-008x.2017.03.041

TP212

A

2095-008X(2017)03-0050-06

2017-08-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471159)；哈爾濱市人才項(xiàng)目(優(yōu)秀學(xué)科帶頭人)(2016RAXXJ016)

趙曉鋒 (1980-)，男，黑龍江蘭西人，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：傳感器MEMS與納米元器件，E-mail:zhaoxiaofeng@hlju.edu.cn。