一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器及其制备方法，谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上。矩形振子包含从下而上依次设置叠加的底电极层、压电层、粘合层、低电阻金属层和软铁磁性合金层。底电极为梳齿状结构，其延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路。在底电极的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板。振子的固定梁部分由压电层和底电极的延伸部分构成。谐振器的谐振频率由谐振器的振子材料、薄膜厚度以及电极尺寸共同决定。采用该谐振器的磁场传感器可测量磁场的幅度且结构简单，灵敏度高，能耗低，并与半导体制造技术兼容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
及微纳加工领域，具体而言，涉及是一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器及制备方法。
技术介绍
磁场传感器的应用不仅有悠久历史，还有非常广泛的应用领域。从春秋战国时期的司南到现代的导航、罗盘、位置传感、铁磁性物质检测、电流传感、医学生物检测成像等。在电子信息技术飞速发展的今天，其应用领域还在不断的扩展。许多常见的测量静态磁场的传感器利用的磁效应包括：霍尔效应（Halleffect）、磁阻效应（magnetoresitivity）、磁通量（fluxgate）、电磁感应（induction）以及静磁力（staticmagneticforce）等。各种磁场测量技术均有各自的优势和局限，但总的来讲，磁场传感技术的发展方向是小型化、低功耗、高精度和高灵敏度，并且与互补金属氧化物半导体集成电路（CMOSIC）工艺相兼容。MEMS类型的磁场传感器具有独特的优势：体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异。MEMS技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务，这样促进了磁场传感器的发展。磁性材料的磁致伸缩效应在致动器领域一直有广泛的应用。而随着压电材料、复合材料及其制备技术在传感器应用领域中的推广，结合了磁致伸缩效应和压电效应的磁电复合材料在传感器中的应用也逐渐成为国际上的研究热点。利用磁致伸缩效应的磁传感原理是：通过磁电复合材料中的磁致伸缩材料在外加磁场作用下产生的磁致伸缩，在压电材料上产生应力或者应变，压电材料受此应力作用而产生一定的电效应，即：利用磁信号来产生和输出可测量的电信号，从而实现磁效应和压电效应的耦合，来测量磁场。然而，磁致伸缩效应的直接效应（一阶效应）的量级通常非常小，尤其是应用于传感器中的软铁磁材料的磁致应变只有百万分之一（ppm）数量级。典型的MEMS磁场传感器一般在弯曲模态或者扭转模态下工作，谐振频率较低。因此，在低频段直接利用磁致伸缩效应的一阶效应来感应磁场的灵敏度受到一定限制。鉴于上述问题，如何设计出一种能够使微机电磁场传感器具有体积小、功耗低、谐振频率高、灵敏度高及工艺简单等特点的方法，是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的第一目的是提出一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，该谐振器与现有技术相比，具有体积小、结构简单和灵敏度高等有益效果。此类谐振器的加工工艺简单，成本低，并且与CMOSIC工艺相兼容。本专利技术的第二目的是提出一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器制备方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，MEMS磁场传感器主要包括谐振器，谐振器的具体结构为：谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，且该矩形振子由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上；矩形振子包含从下而上依次叠加设置的底电极层、压电层、顶电极层和软铁磁性合金层以及保护膜层，在各层之间还有粘合层；矩形振子的底电极层为梳齿状结构，底电极层延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路；在底电极层的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板，开孔部分由电接触层覆盖；固定梁部分由压电层和底电极层的延伸部分构成；矩形振子为面内伸缩模态，伸缩方向为矩形的窄边的方向，谐振频率能够通过改变底电极层中梳齿电极的数量和间距以及压电层和软铁磁性合金层的相对厚度来改变，其范围可以在几千赫兹至数百兆赫兹之间根据具体应用来设计；矩形振子上的梳齿状结构底电极的电极间空隙处不能有压电材料沉积，以消除寄生电容的不利影响。矩形振子部分的压电层和软铁磁性合金层之间有一层顶电极（低电阻非磁性金属），以增强压电层的机电耦合的效果、提高品质因子。优选地，能够抵抗氢氟酸腐蚀的、并且不和XeF2气体发生任何反应的保护膜层的厚度范围为20nm～50nm，矩形振子的压电层的厚度范围为250nm～1mm，软铁磁性合金层的厚度范围为250nm～1mm，且压电层的厚度大于软铁磁性合金层与顶电极厚度之和，以增强机电耦合的效果、提高品质因子。优选地，压电层的材料为氮化铝AlN或者氮化钪铝ScxAl1-xN，其中x的范围在0.4～0.5之间。优选地，矩形振子中，底电极层的材料为铂（Pt）；顶电极层的材料为铝（Al）或铂（Pt）；保护膜层的材料为铂（Pt）或金（Au）；软铁磁性合金层的材料为为铁（Fe）基（如FeB、FeCoB、FeCoSiB、FeGaB等）或钴（Co）基非晶态合金。此类材料的磁特性包括：超低矫顽磁性，超低剩磁和较高的导磁性和磁化率。不同于巨磁致伸缩材料，此类材料的薄膜面内饱和磁场强度通常在50至100Oe之间。一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器制备方法，至少包括以下步骤：第一步：在高电阻率的基底上沉积一层高熔点高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成谐振器的底电极；第二步：沉积牺牲层，其厚度为底电极厚度的2～3倍；第三步：使用化学机械抛光法将已沉积的牺牲层薄膜抛光至露出底电极；第四步：沉积压电层；第五步：沉积构成谐振器振子部分的顶电极层和软铁磁性合金层，通过图案化处理和刻蚀工艺形成谐振器振子部分的结构；第六步：刻蚀覆盖于接驳外部电路的铂电极基板之上的压电层；第七步：沉积高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成电接触金属层（电接触金属层是覆盖在底电极层的外部延伸终点处基板上、刻蚀掉AlN后的通孔处的）和覆盖软铁磁性合金层的保护层；第八步：刻蚀压电层，定义谐振器振子和固定梁的几何形状并打开刻蚀硅晶圆的窗口；第九步：刻蚀硅晶圆，从基底上释放出谐振器振子使其可以自由振动；第十步：刻蚀牺牲层。优选地，第二步中通过引入中间牺牲层的方法填充在谐振器振子部分梳齿状电极之间的空隙以及使用化学机械抛光法为谐振器振子部分建立一个平整的区域来沉积压电层，同时避免压电材料在沉积过程中进入电极的间隙部分而产生寄生电容。优选地，第五步中沉积软铁磁性合金层的过程中沿矩形振子的长边的方向施加一个外加磁场，该磁场的大小需要至少与软铁磁性合金层的磁饱和磁场相当。可选的，牺牲层的材质可以是无定形硅、多晶硅或者SiO2。基于面内伸缩模态的谐振器的微机电磁场传感器的工作过程是：首先施加外加激励，通过梳齿状驱动电极驱动谐振器振子在其谐振频率上产生在薄膜面内的往复震动。谐振器的谐振频率由振子面内几何尺寸和振子材料的物理参数共同决定，其关系式为：；其中f0为谐振频率，W为梳齿状电极的齿间距，E和ρ分别为振子的等效杨氏模量和密度。将谐振器置于外加磁场中进行测量时，由于软铁磁性合金层在外加磁场中产生微量形变而导致其杨氏模量明显变化，从而改变振子的等效杨氏模量，表现为谐振频率的改变。通过测量谐振频率的变化大小就可以换算出磁场的强度；或者也可以通过测量dY/df（Y为导纳，admittance，f为频率）为最大值处的导纳值的变化来测算磁场的强度。另外，本专利技术不是利用软铁磁性合金层的软铁磁材料的磁致伸缩效应的一阶直接效应来产生电信号，而是利用了磁致伸缩效应的二阶效应：∆E效应（E：杨氏模量）。虽然软铁磁材料的磁致应变只有ppm数量级，其二阶∆E效应却可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，MEMS磁场传感器主要包括谐振器，其特征在于，谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，且该矩形振子由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上；矩形振子包含从下而上依次叠加设置的底电极层、压电层、顶电极层和软铁磁性合金层以及保护膜层，在各层之间还有粘合层；矩形振子的底电极层为梳齿状结构，底电极层延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路；在底电极层的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板，开孔部分由电接触层覆盖；固定梁部分由压电层和底电极层的延伸部分构成；矩形振子为面内伸缩模态，伸缩方向为矩形的窄边的方向，谐振频率能够通过改变底电极层中梳齿电极的数量和间距以及压电层和软铁磁性合金层的相对厚度来改变。

【技术特征摘要】
1.一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，MEMS磁场传感器主要包括谐振器，其特征在于，谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，且该矩形振子由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上；矩形振子包含从下而上依次叠加设置的底电极层、压电层、顶电极层和软铁磁性合金层以及保护膜层，在各层之间还有粘合层；矩形振子的底电极层为梳齿状结构，底电极层延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路；在底电极层的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板，开孔部分由电接触层覆盖；固定梁部分由压电层和底电极层的延伸部分构成；矩形振子为面内伸缩模态，伸缩方向为矩形的窄边的方向，谐振频率能够通过改变底电极层中梳齿电极的数量和间距以及压电层和软铁磁性合金层的相对厚度来改变。2.根据权利要求1所述的MEMS磁场传感器，其特征在于，能够抵抗氢氟酸腐蚀的、并且不和XeF2气体发生任何反应的保护膜层的厚度范围为20nm～50nm，矩形振子的压电层的厚度范围为250nm～1mm，软铁磁性合金层的厚度范围为250nm～1mm，且压电层的厚度大于软铁磁性合金层与顶电极厚度之和。3.根据权利要求1所述的MEMS磁场传感器，其特征在于，矩形振子的压电层的材料为氮化铝AlN或者氮化钪铝ScxAl1-xN，其中x的范围在0.4～0.5之间。4.根据权利要求1所述的MEMS磁场传感器，其特征在于，矩形振子中，底电极层的材料为铂（Pt）；顶电极层的材料为铝（Al）或铂（Pt）...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱京希，李嘉，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44