单片集成MEMS三轴磁场传感器制造工艺及性能研究

MEMS 2022-12-05 00:00

磁场传感器作为一种能够将磁场转换为电信号的传感器,如今被广泛应用于地磁场测量、磁探伤以及医疗等多种场景下。随着时代的发展,对于可方便携带且便于集成化的磁场传感器的需求与日俱增。MEMS磁场传感器相较于传统传感器,具有成本低、体积小,可与CMOS工艺兼容等优点,成为目前磁场传感器研究的主要方向。

据麦姆斯咨询报道,近期,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究人员提出了一种基于法拉第电磁感应定律的单片集成MEMS三轴磁场传感器,为可与现有加速度计、陀螺仪等MEMS器件兼容制造的三轴MEMS磁场传感器提供一种参考途径。相关研究成果以论文形式发表于《传感器与微系统》期刊。

器件设计

该研究设计的MEMS三轴磁场传感器由3个独立的装置构成:对面外磁场的测量由2S梁耦合结构器件进行,对面内磁场的测量由2个敏感轴相互垂直的扭转框结构器件进行。所设计的磁场传感器采用静电推挽驱动,通过在谐振结构上施加直流偏置,并在梳齿驱动电极上施加交流驱动信号的方式进行工作。图1分别展示了利用COMSOL Multiphysics 5.5软件对两种不同结构的器件建模仿真的结果。由图1可知,对2S梁耦合结构,其所需的平面收缩扩张振动模态为106.27 kHz,对扭转框结构,其所需的扭转振动模态为14.305 kHz。


图1 利用COMSOL软件仿真得到的2S梁耦合结构和扭转框结构的特征频率与特征模态

器件制造

该研究中报道的MEMS磁场传感器通过MEMS工艺制作得到,主要包含光刻、刻蚀、键合、溅射等工艺流程。制造过程的简要工艺流程如图2所示。首先,通过光刻与反应离子刻蚀(RIE)工艺,将对准标记刻蚀在衬底上,并将二氧化硅(SiO2)掩模制备在基底上;接着,通过光刻与深反应离子刻蚀(DRIE)工艺,为谐振结构提供谐振空腔,并制作交错梳齿从而完成传感器的制作过程。


图2 单片集成MEMS三轴磁场传感器的工艺流程

图3为制作完成的基于法拉第电磁感应定律的单片集成MEMS三轴磁场传感器以及部分结构的扫描电镜(SEM)图像。需要注明的是,由于传感器尺寸为9.12 mm × 8.88 mm,因此,其整体SEM图像由多张图片拼接得到。在图像中可清楚地看到三轴磁场传感器由2种不同结构、3个独立器件构成。谐振梁、铝线圈、驱动与检测梳齿、阻尼孔与中央锚点等结构也在放大图中得到展示。


图3 单片集成三轴MEMS磁场传感器的SEM图与部分位置细节图:(a)单片集成三轴MEMS磁场传感器的整体SEM照片;(b)作为弹簧的折叠梁;(c)中心锚点;(d)用于2S梁耦合结构的检测梳齿;(e)位于扭转框结构上的泄气孔;(f)泄气孔放大图片;(g)用于扭转框器件驱动的交错梳齿结构

在该项研究中,所制作的单片集成MEMS三轴磁场传感器利用电磁感应原理进行工作,其输出信号与外界磁场为线性关系。同时,器件的灵敏度可通过提升交流驱动信号的幅值得到提高。因此,在理论上避免了高灵敏度与功耗、动态范围之间的矛盾关系。经过测试,2S耦合梁结构器件对Z轴磁场的灵敏度为7.435 µV/mT,非线性度为0.436%,对X轴磁场与Y轴磁场的交叉轴抑制比分别为γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB。扭转框结构器件对X轴磁场的灵敏度为2.223 μV/mT,非线性度为0.49%,对Z轴磁场与Y轴磁场的交叉轴抑制比分别为γx,z=44.687 dB,γx,y=41.138 dB。


图4 2S梁耦合结构、扭转框结构的“电压-磁感应强度”曲线

此外,该研究中对传感器进行的相关测试仍采用开环驱动电路,闭环驱动电路由于电路匹配问题仍在优化过程中。预计采用闭环驱动电路进行测试后,传感器的灵敏度将得到提高,非线性度将得以降低。后续通过改进工艺流程、优化贴片方法和改进装配方法等方式,可以进一步提高交叉轴抑制比。

论文链接:
http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2022)11-0065-04

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