三轴微机械磁场传感器制造技术

本发明专利技术提供一种三轴微机械磁场传感器，包括两个呈正交排列的第一谐振结构组件及第二谐振结构组件。本发明专利技术的三轴微机械磁场传感器不需要磁性材料，不存在磁滞和磁饱和现象，制作工艺与标准CMOS工艺兼容，可实现大批量，低成本生产；第一谐振结构及第二谐振结构采用静电驱动，功耗几乎为零，且结构简单，易于实现；静电驱动结构为带有阻尼孔的平板电极或者叉指电极，能够有效的减小空气阻尼，提高大气下工作的灵敏度；基于电磁感应原理，在大范围磁场测量中都具有极佳的线性度；三个谐振结构位于同一平面内，可实现三轴测量之间的绝对正交，有效避免了交叉灵敏度的影响；可同时对恒定或交变磁场的三轴分量进行测量，稳定性和可靠性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机械传感器设计
，特别是涉及一种三轴微机械磁场传感器。
技术介绍
磁场传感器是利用敏感材料或结构将外部磁场信号转换为电信号并进行处理的一类器件，广泛应用于航海，航空，军事，医疗，汽车工业，地质勘探等领域，自上世纪30年代以来，伴随着半导体技术的不断进步，磁场传感器的研究得到了迅猛发展。磁场传感器的种类繁多，比较典型的有超导量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，SQUID)，霍尔效应(Halleffect)传感器，磁通门(Fluxgate)传感器，各向异性磁阻(AnisotropicMagnetoresistive，AMR)传感器，巨磁阻(GiantMagnetoresistive，GMR)传感器，此外还有近些年新出现的基于微机电系统(Microelectromechanicalsystems，MEMS)技术的磁场传感器。目前，航空航天领域中飞行器的姿态控制和空间环境预报，以及军事上导弹飞行的轨迹测定都对三轴磁场的测量提出了要求，为此许多研究机构和公司纷纷展开了对三轴磁场传感器的研究。一般来说，三轴磁场传感器是将多个一维器件进行组合，分别对空间矢量磁场的xyz分量进行实时测量，从而确定空间磁场的大小和方向。目前，研究的比较成熟且已实现商业化应用的有霍尔传感器(Melexis的MLX90363)，磁通门传感器(Magwell的EC系列)，以及各向异性磁阻传感器(Honeywell的HMC5883L)。由于采用分立器件的组合，受机械加工与安装水平的限制，三个分量相互之间无法保证绝对正交，由此会带来三分量磁测数据误差，由分量计算得到的总磁场也同样存在着误差。为了保证足够的精度，需要对采集的数据进行复杂的算法校正。此外，这些器件大多数都需要磁性材料，因此存在磁滞和磁饱和现象，并且难以与标准CMOS工艺集成，无法实现大批量，低成本生产。为了满足未来磁场传感器对高性能，小型化，低功耗以及低成本的要求，基于MEMS技术的磁场传感器逐渐得到研究者的青睐。该类器件大多是利用洛仑兹力原理，位于谐振结构上的通电线圈在磁场中受到洛仑兹力的作用使得谐振结构发生一定的位移，然后通过光学式，压阻式或者电容式的检测方法测量谐振结构的位移，从而间接的得到外部磁场的大小。但是此类器件在实现高分辨率的同时会伴随着功耗的增加，并且大位移下器件的线性度较差。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种三轴微机械磁场传感器，用于解决现有技术中的磁场传感器存在的对磁性材料的依赖，无法与标准CMOS工艺集成，三轴测量无法完全正交以及高功耗的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种三轴微机械磁场传感器，所述三轴微机械磁场传感器包括：两个呈正交排列的第一谐振结构组件，所述第一谐振结构组件包括：第一谐振结构、第一绝缘层、第一感应线圈及第一驱动电极；所述第一绝缘层位于所述第一谐振结构表面；所述第一感应线圈位于所述第一绝缘层表面；所述第一驱动电极位于所述第一谐振结构的下方，适于以静电驱动方式驱动所述第一谐振结构，使得所述第一谐振结构工作时处于扭转模态；第二谐振结构组件，所述第二谐振结构组件包括：第二谐振结构、第二绝缘层、第二感应线圈及第二驱动电极；所述第二绝缘层位于所述第二谐振结构表面；所述第二感应线圈位于所述第二绝缘层表面；所述第二驱动电极位于所述第二谐振结构的两侧，适于以静电驱动方式驱动所述第二谐振结构，使得所述第二谐振结构工作时处于伸缩扩张模态。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一谐振结构组件还包括：第一锚点及第一支撑梁；所述第一锚点位于一衬底表面；所述第一谐振结构及所述第一支撑梁均位于所述衬底设置有所述第一锚点的一侧；所述第一谐振结构与所述第一锚点及所述衬底表面均相隔一定的间距；所述第一支撑梁一端与所述第一锚点固定连接，另一端与所述第一谐振结构固定连接；所述第一驱动电极位于所述第一谐振结构与所述衬底之间，且位于所述衬底表面。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一锚点及所述第一支撑梁的数量均为两个，所述第一锚点及所述第一支撑梁对称地分布于所述第一谐振结构的两侧。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一锚点及所述第一支撑梁的数量均为一个，所述第一锚点及所述第一支撑梁位于所述第一谐振结构的同一侧。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一谐振结构组件还包括第一弹性梁，所述第一支撑梁经由所述第一弹性梁与所述第一谐振结构固定连接。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一驱动电极为两个，两个所述第一驱动电极及所述第一谐振结构均关于所述第一支撑梁对称分布。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一谐振结构上设有阻尼孔。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第二谐振结构组件还包括：第二锚点、第二支撑梁及固定结构；所述第二锚点位于一衬底表面；所述第二谐振结构及所述第二支撑梁均位于所述衬底设置有所述第二锚点的一侧；所述第二谐振结构与所述第二锚点及所述衬底表面均相隔一定的间距；所述第二支撑梁一端与所述第二锚点固定连接，另一端与所述第二谐振结构固定连接；所述固定结构位于所述第二谐振结构两侧的所述衬底表面；所述第二驱动电极包括固定电极及可动电极，所述固定电极固定于所述固定结构靠近所述第二谐振结构的一侧，所述可动电极固定于所述第二谐振结构上，且所述可动电极与所述固定电极位于同一平面内。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第二锚点及所述第二支撑梁的数量均为两个，所述第二锚点及所述第二支撑梁对称地分布于所述第二谐振结构的两端。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第二锚点及所述第二支撑梁的数量均为一个，所述第二锚点及所述第二支撑梁位于所述第二谐振结构的同一端。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第二谐振结构包括谐振梁，所述谐振梁经由所述第二支撑梁与所述第二锚点固定连接。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第二谐振结构包括谐振梁及第二弹性梁，所述第二谐振结构经由所述第二弹性梁与所述第二支撑梁固定连接。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一驱动电极及第二驱动电极的静电驱动方式均包括单端驱动或推挽驱动。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一感应线圈及所述第二感应线圈至少为一层，每层所述第一感应线圈及所述第二感应线圈的匝数至少为一匝。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，每层所述第一感应线圈及所述第二感应线圈的匝数为多匝，每层的多匝所述第一感应线圈的绕向相同，且每层的多匝所述第二感应线圈的绕向相同。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一感应线圈及所述第二感应线圈为多层，多层所述第一感应线圈相互间的绕向相同，多层所述第二感应线圈相互间的绕向相同，且各层所述第一感应线圈之间及各层所述第二感应线圈之间均设有第三绝缘层。作为本专利技术的三轴微机械磁场传感器的一种优选方案，所述第一谐振结构组件还包括第一检测电极，所述第一检测电极为两个，其中一个所述第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三轴微机械磁场传感器，其特征在于，所述三轴微机械磁场传感器包括：；两个呈正交排列的第一谐振结构组件，所述第一谐振结构组件包括：第一谐振结构、第一绝缘层、第一感应线圈及第一驱动电极；所述第一绝缘层位于所述第一谐振结构表面；所述第一感应线圈位于所述第一绝缘层表面；所述第一驱动电极位于所述第一谐振结构的下方，适于以静电驱动方式驱动所述第一谐振结构，使得所述第一谐振结构工作时处于扭转模态；第二谐振结构组件，所述第二谐振结构组件包括：第二谐振结构、第二绝缘层、第二感应线圈及第二驱动电极；所述第二绝缘层位于所述第二谐振结构表面；所述第二感应线圈位于所述第二绝缘层表面；所述第二驱动电极位于所述第二谐振结构的两侧，适于以静电驱动方式驱动所述第二谐振结构，使得所述第二谐振结构工作时处于伸缩扩张模态。

【技术特征摘要】
1.一种三轴微机械磁场传感器，其特征在于，所述三轴微机械磁场传感器包括：；两个呈正交排列的第一谐振结构组件，所述第一谐振结构组件包括：第一谐振结构、第一绝缘层、第一感应线圈及第一驱动电极；所述第一绝缘层位于所述第一谐振结构表面；所述第一感应线圈位于所述第一绝缘层表面；所述第一驱动电极位于所述第一谐振结构的下方，适于以静电驱动方式驱动所述第一谐振结构，使得所述第一谐振结构工作时处于扭转模态；第二谐振结构组件，所述第二谐振结构组件包括：第二谐振结构、第二绝缘层、第二感应线圈及第二驱动电极；所述第二绝缘层位于所述第二谐振结构表面；所述第二感应线圈位于所述第二绝缘层表面；所述第二驱动电极位于所述第二谐振结构的两侧，适于以静电驱动方式驱动所述第二谐振结构，使得所述第二谐振结构工作时处于伸缩扩张模态。2.根据权利要求1所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一谐振结构组件还包括：第一锚点及第一支撑梁；所述第一锚点位于一衬底表面；所述第一谐振结构及所述第一支撑梁均位于所述衬底设置有所述第一锚点的一侧；所述第一谐振结构与所述第一锚点及所述衬底表面均相隔一定的间距；所述第一支撑梁一端与所述第一锚点固定连接，另一端与所述第一谐振结构固定连接；所述第一驱动电极位于所述第一谐振结构与所述衬底之间，且位于所述衬底表面。3.根据权利要求2所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一锚点及所述第一支撑梁的数量均为两个，所述第一锚点及所述第一支撑梁对称地分布于所述第一谐振结构的两侧。4.根据权利要求2所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一锚点及所述第一支撑梁的数量均为一个，所述第一锚点及所述第一支撑梁位于所述第一谐振结构的同一侧。5.根据权利要求2所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一谐振结构组件还包括第一弹性梁，所述第一支撑梁经由所述第一弹性梁与所述第一谐振结构固定连接。6.根据权利要求2所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一驱动电极为两个，两个所述第一驱动电极及所述第一谐振结构均关于所述第一支撑梁对称分布。7.根据权利要求1所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一谐振结构上设有阻尼孔。8.根据权利要求1至7中任一项所述的三轴微机械磁场传感器，其特征在于：所述第二谐振结构组件还包括：第二锚点、第二支撑梁及固定结构；所述第二锚点位于一衬底表面；所述第二谐振结构及所述第二支撑梁均位于所述衬底设置有所述第二锚点的一侧；所述第二谐振结构与所述第二锚点及所述衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，刘松，徐德辉，梁亨茂，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31