專利名稱：一種mems微型高靈敏度磁場傳感器及制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微型高靈敏度磁場傳感器的結構及制作方法，具體地說，是利用半導體微細加工工藝結合半導體材料實現微型高靈敏度磁場傳感器的結構制作。通過不同的封裝，該器件可以在真空、空氣、水下等多種不同環(huán)境中進行磁場探測。本發(fā)明屬于磁場傳感器領域。
背景技術：
磁場傳感器是對磁信號或者是對能轉變?yōu)榇判盘柕膮得舾袀鞲衅?，是應用最早也是應用最廣泛的一類傳感器，我國四大發(fā)明之一的指南針就是利用此現象的一種傳感器。磁場傳感器在許多領域已經獲得了產業(yè)化應用，每年的使用量高達十億只以上，廣泛應用于電機、電力、電子、能源、磁信息讀取、汽車工業(yè)及工業(yè)自動化、家電和安全系統。這些被廣泛應用的磁傳感器主要是傳統的、靈敏度不是很高的霍爾效應器件、磁敏晶體管、磁敏電阻等。隨著磁傳感領域的發(fā)展，對于微型化、更高靈敏度的磁傳感器提出了更廣泛的需求。
高靈敏度的磁場傳感器目前主要有超導量子干涉儀(SQUIDs)磁強計、光磁共振磁強計、磁通門傳感器、光纖磁場傳感器(潘啟軍、馬偉明、趙治華等.磁場測量方法的發(fā)展及應用.電工技術學報，2005，vol.20(3)7-13.)等幾種方式(1)超導量子干涉儀(SQUIDs)磁強計是迄今為止最為靈敏的磁場傳感器，但制作超導約瑟夫森結工藝較為困難，同時需要低溫制冷設備，運行費用高昂。
(2)光磁共振磁強計基于光學相干布局囚禁(CPT)原理，選用原子能級中對于磁場變化最敏感的能級進行監(jiān)測，其最小可敏感磁場變化為pT量級，但其結構過于復雜，檢測信號時還需要與高頻率穩(wěn)定度的時間頻率基準進行比對。
(3)磁通門傳感器是一種被廣泛使用的高靈敏度磁場傳感器，最小可敏感nT量級的磁場變化，但是其缺點是器件的體積和功耗都比較大。
(4)隨著光纖傳感技術的發(fā)展和其傳輸、功耗、網絡化等方面的優(yōu)勢，光纖傳感技術與磁場傳感器相結合而形成的光纖磁場傳感器獲得了廣泛的關注。光纖磁場傳感器主要分為兩大類第一類是磁致伸縮型光纖磁傳感器，此種方式要求很長(幾十cm)的被覆蓋磁致伸縮材料的光纖干涉儀，其體積大，而且光纖干涉儀的過長給實用帶來了問題；同時由于磁致伸縮材料存在磁滯效應，所以器件需要增加偏置和反饋激勵線圈從而實現反饋，這將帶來了較大的功耗。第二類是基于法拉第旋光效應的磁傳感器，此種傳感器不僅體積大、功耗大，同時磁光晶體的法拉第旋轉角不僅和磁場強度有關，還與光波長有關，所以還需要溫度控制電路和自動功率控制電路，以確保輸出光波長的穩(wěn)定。
以上高靈敏度的磁場傳感器都存在著體積大、功耗大、成本高昂等問題，極大的限制了它們的應用范圍，因此需要進一步發(fā)展微型化、低功耗、低成本的高靈敏度磁場傳感器[(1)王元慶.新型傳感器原理及應用.機械工業(yè)出版社，2002.(2)Clarke.Principles and applications of SQUIDS.Proc.of the IEEE，1989，17(8)1208-1223.(3)陳學崗、何興道、鄒文棟.光纖磁場傳感器的磁場探頭設計.儀表技術與傳感器，2004 No.25-6.]。從目前正在發(fā)展的多種高靈敏度磁場傳感器來看，還未能較好的解決體積、功耗、成本、大規(guī)模批量生產等方面的問題。為此，本發(fā)明試圖將MEMS(Micro-ElectromechanicalSystems，微機電系統)技術和光纖檢測技術相結合，提出了一種MEMS微型高靈敏度磁場傳感器及制作方法。利用MEMS技術制作微磁敏感結構與光學靈敏信號檢測相結合，以實現體積小、低功耗、低成本、可以廣泛應用于各個領域的微型高靈敏度磁場傳感器為目標。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種MEMS微型高靈敏度磁場傳感器及制作方法。
結構上，本發(fā)明提供的磁場傳感器是由雙端固置式MEMS扭轉微鏡、磁性敏感薄膜和雙光纖準直器構成。整體結構如圖1所示(1)采用Si、SOI(絕緣體上硅)、Ge、GaAs、派勒克斯(Pyrex)7740玻璃等材料中的一種作為基底及器件支撐體。
(2)利用金屬鋁或金形成器件靜電反饋電極。當沒有反饋電極時，器件輸出信號為光強衰減信號；當存在反饋電極時，器件輸出信號為反饋電壓信號。出于器件打線、封裝及承載電壓考慮，反饋電極厚度通常為0.3-1μm。
(3)磁性敏感薄膜、雙端固置式扭轉微鏡和金屬反射鏡面一起構成器件的微扭轉敏感結構。磁性敏感薄膜可以是Ni、NiFe合金、NiFeCo合金、NiFeCoMn合金以及其他可以在微細加工工藝中制作和圖形化的磁性材料。其厚度以綜合考慮材料應力和剩磁感應強度為基礎，例如NiFe合金材料厚度通常選取厚度為0.1-0.4μm。
(4)在硅片中通過圖形化掩膜，刻蝕釋放出雙端固置式扭轉硅結構，其厚度需要根據結構物理承重、扭轉敏感度和材料應力綜合考慮(通常扭轉器件設計，其硅材料應力不得超過其斷裂應力的五分之一，即不能超過600MPa)。
(5)金屬反射鏡面起到增加反射率、減少插入損耗的目的，通常采用金作為反射鏡面。
(6)金屬反饋電極和磁性敏感薄膜之間形成的器件扭轉間隙決定著器件反饋電壓的輸出值(間隙越大則相同電壓下所提供的靜電力越小)。
(7)最后器件通過調節(jié)架，利用光學封裝樹脂，完成與雙光纖準直器的封接，從而實現整體器件的制作。
綜上所述，首先通過支撐體與反饋電極形成器件的支撐與反饋結構；其次在硅片上通過制作磁性敏感薄膜、金反射鏡面并釋放扭轉硅結構，實現器件磁性敏感扭轉結構；最后利用光學封裝樹脂，通過光學調節(jié)架完成與雙光纖準直器的封接，完成所述磁性傳感器器件的整體結構。
本發(fā)明提出的高靈敏度微型磁場傳感器由雙端固支式MEMS扭轉微鏡、磁性敏感薄膜和雙光纖準直器構成，器件的工作原理如圖2所示。傳感器工作過程包括與外磁場作用產生扭矩-機械結構扭轉-光學信號檢測三個步驟(1)根據電磁學基本原理，磁性敏感薄膜受到正交方向磁場作用時將產生磁扭矩；(2)在該扭矩作用下，MEMS磁性敏感扭轉結構將扭轉，產生一定的扭轉角度；(3)通過雙光纖準直器與微鏡面形成的反射光路，可以探測由于扭轉所產生的光強耦合損耗；通過耦合損耗可以計算鏡面的扭轉角度，最終獲得待測磁場信息。
磁性敏感薄膜黏附于扭轉結構之上，當外界存在磁場時，磁性敏感薄膜會受到扭矩作用；從而帶動整個扭轉結構產生扭轉；此時位于扭轉結構背面的反射鏡面也會隨之轉動，此時雙光纖準直器接收到的反射光就會產生耦合損耗，通過測得耦合損耗就可以得到待測外界磁場信息。如果結構中含有反饋電極結構，可以通過其施加反饋電壓，使扭轉結構重新恢復到初始位置，此時的反饋電壓也是磁場信息的直接反應。含有反饋結構的器件將具有更高的外場檢測靈敏度，并可以實現三軸矢量測量。
本器件結構通過以下制作方法實現(1)首先在可以起到絕緣和支撐效果的基底及器件支撐體1上，通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)及其他方法制作金屬鋁、金或其他電極材料，如圖3(b)所示。
(2)涂膠(圖3c)、光刻顯影(圖3d)后，通過腐蝕(圖3e)、去膠(圖3f)等工藝實現反饋電極2的圖形化制作。
(3)通過刻蝕在襯底硅、SOI或其他材料(圖4a)上涂膠(圖4b)，光刻并顯影得到如圖4(c)所示圖形化掩膜。
(4)刻蝕或腐蝕(圖4d)形成扭轉結構的活動空間，并去除光刻膠掩膜得到如圖4(e)所示結構。
(5)再次涂膠(圖4f)、光刻顯影(圖4g)，通過濺射或電子束蒸發(fā)等方法制作磁性敏感薄膜，得到如圖4(h)所示結構。
(6)利用丙酮剝離，去除光刻膠掩膜，實現磁敏感薄膜圖形化，最終結構如圖4(i)所示。
(7)完成器件敏感部分(圖4i)與器件支撐體基底(圖3f)鍵合，得到如圖5(a)所示結構。
(8)采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法，對硅材料進行整體減薄，得到如圖5(b)所示結構。
(9)對圖5(b)所示結構進行化學機械拋光(CMP)以改善減薄表面的粗糙度(如果選用SOI硅片則直接KOH腐蝕到SiO2層后，去除SiO2，從而實現減薄與平整表面的制作。)，此時硅材料的表面將具有良好的表面平整度和表面粗糙度，以滿足制作光學鏡面的要求。
(10)將圖5(b)所示結構放入勻強磁場中完成磁性材料的磁化，磁性材料磁化后將成為磁性敏感薄膜。
(11)涂膠(圖5c)、光刻顯影(圖5d)后，通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)等方法制作金或其它反射材料，得到如5(e)所示結構。
(12)利用丙酮剝離，去除光刻膠掩膜，實現反射鏡面的圖形化，得到如圖5(f)所示結構。
(13)涂膠(圖6a)、光刻顯影涂膠(圖6b)后，通過刻蝕(圖6c)釋放器件微扭轉結構，去除光刻膠掩膜后，完成如圖6(d)所示的器件磁性敏感扭轉結構的制作。
(14)通過光學對準、光學封裝樹脂膠合，實現器件的后端光學封接，最終實現如圖1所示器件結構的制作。
本發(fā)明采用了微光學扭轉鏡面、選用永磁敏感薄膜作為外磁場敏感元件，并結合雙光纖準直器靈敏檢測技術。通過利用ANSYS軟件對器件結構應力、扭轉模態(tài)及物理運動過程的分析模擬，并結合雙光纖準直器光學檢測部分的數值計算，結果表明該器件可以實現60nT的測試分辨率，即器件最小可以敏感到60nT的微弱磁場，其靈敏度達到0.6dB/μT。將外磁場作用下產生的微鏡面扭轉角度的Matlab解析解與ANSYS模擬值相對比，二者均表現了外場磁感應強度與鏡面扭轉角度的線性關系。
此種結構的測試靈敏度和分辨率均達到了實用器件的參數要求。即通過本方法實現的微型磁場傳感器具有小體積、低功耗、低成本、高靈敏度的優(yōu)勢。通過不同的外封裝形式，該器件可以在真空、空氣、水下等多種不同環(huán)境中進行微弱磁場的靈敏檢測。其具體應用主要表現在(1)國防領域對于艦船、潛艇、水雷、魚雷等系統的磁特征監(jiān)測、定位和識別，構成海域警戒和防衛(wèi)系統，同時也為自有系統的消磁效果提供依據，提高系統的安全性；地面戰(zhàn)場上對于裝甲設備、武器裝備和戰(zhàn)斗部隊的部署及其運動情況進行探測、警戒和防御，形成戰(zhàn)場偵查和警戒網絡；地雷的探測、識別和定位；磁通信，水下和強電磁干擾條件下的通信是非常困難的，采用磁信號的收發(fā)的通信是一種重要的通信方式；磁引信，該技術是水雷、魚雷等水下攻擊武器的可靠引線。
(2)在地震預報、物探、考古、無損檢測等領域，微型高靈敏度磁場探測是一種重要的技術手段，地震、礦藏、考古現場、材料內部損傷通常伴隨著磁場的異常，通過對于磁場異常的監(jiān)測可以有效的獲取相關重要信息。
(3)在醫(yī)學和生物領域，對微弱生物電流產生的極弱磁場進行探測，可以獲得重要的生物信息，如腦磁圖、心磁圖等診斷方法。
(4)磁導航航天器及水下平臺的姿態(tài)測量。
(5)空間磁場探測、地磁探測及科學研究。
(6)社會安全系統中的廣泛應用。
鑒于本發(fā)明優(yōu)越的器件性能和廣泛的應用領域，說明本方法是一種有效的微型高靈敏度磁場傳感器的制作方法，可以實現批量生產，具有廣泛的應用前景、深遠的社會效益和可觀的經濟效益。
與現有的方法比較，本發(fā)明提供的制作方法制作的磁場傳感器具有以下特點(1)采用MEMS技術制作微扭轉結構與磁敏感薄膜，可以實現傳感器更高的靈敏度，最小可以敏感到60nT的微弱磁場，靈敏度達0.6dB/μT。
(2)通過光學檢測方法，可以進一步提高器件的測試靈敏度。
(3)施加反饋信號，通過測試反饋電壓可以進一步實現更高的器件測試分辨率。
(4)本器件具有較小的體積，由于采用光學檢測與靜電反饋，從而可以實現更小的功耗。
(5)采用MEMS技術制作，有利于器件的批量化生產，降低器件成本。
(6)光學檢測技術有利于實現器件形成網絡化、系統級的信號探測。
(7)該器件可以廣泛應用于生產、生活的各個領域。


圖1磁場傳感器結構示意2磁場傳感器的工作原理3傳感器基底及反饋電極制作工藝流程(a)器件基底及支撐體(b)制作反饋電極金屬層(c)旋涂光刻膠(d)光刻、顯影(e)圖形化制作反饋電極(f)去除光刻膠掩膜圖4傳感器磁性敏感薄膜的制作工藝流程(a)襯底硅、SOI或其他襯底材料
(b)旋涂或噴涂光刻膠(c)光刻、顯影(d)刻蝕或腐蝕制作出扭轉活動空間(e)去除光刻膠掩膜(f)旋涂或噴涂光刻膠(g)光刻、顯影(h)濺射或電子束蒸發(fā)制作磁敏感薄膜(i)丙酮剝離、去除光刻膠掩膜、實現磁敏感薄膜圖形化圖5器件鍵合、整體減薄及反射鏡面制作工藝流程(a)器件敏感部分與器件支撐體基底鍵合(b)KOH整體減薄、硅片進行化學機械拋光(SOI材料去除SiO2層)(c)旋涂或噴涂光刻膠(d)光刻、顯影(e)濺射或蒸發(fā)反射金屬層(f)剝離、去除光刻膠掩膜圖6器件扭轉結構釋放工藝流程(a)旋涂或噴涂光刻膠(b)光刻、顯影(c)刻蝕釋放微扭轉結構(d)去除光刻膠掩膜圖中1器件基底及支撐體2反饋電極3襯底硅、SOI或其他襯底材料4磁性敏感薄膜5雙端固置式扭轉微鏡(扭轉硅結構)6金反射鏡面7雙光纖準直器
8光學封裝樹脂材料9光纖尾線10光刻膠具體實施方式
下面通過實施例來說明本發(fā)明的具體實施方法，半導體材料選用P+型低阻硅片，但本發(fā)明的應用不僅限于硅材料；器件基底及支撐體以Pyrex7740玻璃為例，但不僅限于Pyrex7740玻璃，還可以選用Si、SOI、Ge、GaAs等材料；金屬反饋電極以Al材料為例，但不僅限于Al材料，還可以選用Au等其他反饋電極材料；金屬反射鏡面以Au材料為例，但不僅限于Au材料，還可以選用其他反射材料；磁性敏感薄膜以NiFe合金為例，但不僅限于NiFe合金，還可以選用Ni、NiFeCo合金、NiFeCoMn合金和其他可圖形化磁性材料。本方法對于濕法腐蝕制作扭轉腔體和干法刻蝕扭轉腔體均適用，實施例僅以干法刻蝕制作方法為例。
實施例MEMS高靈敏度磁場傳感器具體工藝實施方法如下(1)首先在Pyrex7740玻璃支撐體1上，通過濺射或電子束蒸發(fā)金屬鋁電極材料2，如圖3(b)所示。
(2)選擇半導體材料如硅片1(普通P+型(100)雙拋硅片(圖4a)，厚度420±20微米，電阻率0.01-0.02歐姆厘米)，進行涂膠(圖3c)、光刻顯影(圖3d)后，通過腐蝕(圖3e)、去膠(圖3f)等工藝實現反饋電極2的圖形化制作。
(3)通過刻蝕在襯底硅、SOI或其他材料(圖4a)上涂膠(圖4b)，光刻并顯影得到如圖4(c)所示圖形化掩膜。
(4)刻蝕或腐蝕(圖4d)形成扭轉結構的活動空間，并去除光刻膠掩膜得到如圖4(e)所示結構。
(5)再次涂膠(圖4f)、光刻顯影(圖4g)，通過濺射或電子束蒸發(fā)等方法制作制作NiFe磁性敏感薄膜0.1～0.4微米，得到如圖4(h)所示結構。
(6)利用丙酮剝離，去除光刻膠掩膜，實現磁敏感薄膜圖形化，最終結構如圖4(i)所示。
(7)完成器件敏感部分(圖4i)與器件支撐體基底(圖3f)鍵合，得到如圖5(a)所示結構。
(8)采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法，對硅材料進行整體減薄，得到如圖5(b)所示結構。
(9)對圖5(b)所示結構進行化學機械拋光(CMP)以改善減薄表面的粗糙度(如果選用SOI硅片則直接KOH腐蝕到SiO2層后，去除SiO2，從而實現減薄與平整表面的制作。)，此時硅材料的表面將具有良好的表面平整度和表面粗糙度，以滿足制作光學鏡面的要求。
(10)將圖5(b)所示結構放入勻強磁場中完成磁性材料的磁化，磁性材料磁化后將成為磁性敏感薄膜。
(11)涂膠(圖5c)、光刻顯影(圖5d)后，通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)等方法制作金屬Au作為光學反射材料，得到如5(e)所示結構。
(12)利用丙酮剝離，去除光刻膠掩膜，實現反射鏡面的圖形化，得到如圖5(f)所示結構。
(13)涂膠(圖6a)、光刻顯影涂膠(圖6b)后，通過刻蝕(圖6c)釋放器件微扭轉結構，去除光刻膠掩膜后，完成如圖6(d)所示的器件磁性敏感扭轉結構的制作。
(14)通過光學對準、光學封裝樹脂膠合，實現器件的后端光學封接，最終實現如圖1所示器件結構的制作。
權利要求
1.一種MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的磁場傳感器是由雙端固置式MEMS扭轉微鏡、磁性敏感薄膜和雙光纖準直器構成；金屬反饋電極和磁性敏感薄膜之間形成器件扭轉間隙；通過調節(jié)架，利用光學封裝樹脂，完成與雙光纖準直器的封接。
2.按權利要求1所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的金屬反饋電極位于器件基底及支撐體上。
3.按權利要求2所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的基底及支撐體為Si、絕緣體上硅、Ge、GaAs和派勒克斯7740玻璃中任意一種。
4.按權利要求1或2所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的金屬反饋電極為Al或An；厚度為0.3-1μm。
5.按權利要求1所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的MEMS扭轉微鏡的一個面上為磁性敏感膜，另一個面以Au作反射面。
6.按權利要求1或5所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的磁性敏感薄膜為Ni、NiFe合金、NiFeCo合金、或NiFeCoMn合金。
7.按權利要求1或5所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的磁性敏感薄膜為NiFe合金，厚度為0.1-0.4μm。
8.按權利要求6所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器，其特征在于所述的磁性敏感薄膜為NiFe合金，厚度為0.1-0.4μm。
9.制備如權利要求1所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器的方法，其特征在于利用MEMS技術制作微磁敏感結構與光纖檢測技術相結合，包括傳感器基底及反饋電極制作、傳感器磁場薄膜的制作、器件鍵合與整體減薄及反射鏡面的制作以及器件扭轉結構釋放四大步驟，具體步驟為1)首先在起絕緣和支撐效果的基底及器件支撐體(1)上，通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)及其他方法制作金屬鋁或金；2)涂膠、光刻顯影后，通過腐蝕、去膠等工藝實現反饋電極(2)的圖形化制作。3)通過刻蝕在襯底硅、SOI或其他材料上涂膠，光刻并顯影得到圖形化掩膜。4)刻蝕或腐蝕形成扭轉結構的活動空間，并去除光刻膠掩膜；5)再次涂膠、光刻顯影，通過濺射或電子束蒸發(fā)方法制作磁性敏感薄膜；6)利用丙酮剝離，去除光刻膠掩膜，實現磁敏感薄膜圖形化；7)完成器件敏感部分與器件支撐體基底鍵合；8)采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法，對硅材料進行整體減薄；9)步驟8整體減薄后的結構進行化學機械拋光以改善減薄表面的粗糙度使硅材料的表面將具有良好的表面平整度和表面粗糙度，以滿足制作光學鏡面的要求；10)步驟8整體減薄后的結構放入勻強磁場中完成磁性材料的磁化，磁性材料磁化后將成為磁性敏感薄膜；11)涂膠、光刻顯影后，通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)方法制作金或其它反射材料；12)利用丙酮剝離，去除光刻膠掩膜，實現反射鏡面的圖形化；13)涂膠、光刻顯影涂膠后，通過刻蝕釋放器件微扭轉結構，去除光刻膠掩膜后，完成所述的器件磁性敏感扭轉結構的制作；14)通過光學對準、光學封裝樹脂膠合，實現器件的后端光學封接，最終實現整個磁性傳感器器件結構的制作。
10.按權利要求9所述的MEMS微型高靈敏度磁場傳感器的制作方法，其特征在于以絕緣體上硅為基體及支撐體，則在步驟8整體減薄后的結構直接用KOH腐蝕劑SiO2層后，去除SiO2，實現減薄和平整表面的制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS微型高靈敏度磁場傳感器及制作方法，其特征在于所述的磁場傳感器是由雙端固置式MEMS扭轉微鏡、磁性敏感薄膜和雙光纖準直器構成；金屬反饋電極和磁性敏感薄膜之間形成器件扭轉間隙；通過調節(jié)架，利用光學封裝樹脂，完成與雙光纖準直器的封接。其制作方法特征是利用MEMS技術制作微磁敏感結構與光纖檢測技術結合，包括傳感器基底及反饋電極制作、傳感器磁場薄膜的制作、器件鍵合、整體減薄及反射鏡面的制作以及器件扭轉結構釋放四大步驟，所提供的磁場傳感器最小可敏感到60nT的微弱磁場，靈敏度達0.6dB/μT。有利于批量生產和器件成本的降低。
文檔編號G03F7/00GK1912646SQ20061003076
公開日2007年2月14日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權日2006年9月1日
發(fā)明者吳亞明, 劉玉菲, 李四華, 萬助軍 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所