一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法，包括整平衬底；利用电镀或物理气相沉积制备具有垂直磁各向异性的底部硬磁体；用蚀刻法清除可蚀刻材料而制备中空管的，以容纳含硬磁材料的悬浮体；在临时可蚀刻材料中制备具有垂直磁各向异性的含硬磁材料的悬浮体，其硬磁材料有与底部硬磁体不一样的磁矫顽力；悬浮体通过蚀刻去除临时可蚀刻材料而释放于中空管中；在中空管外制备感应器；利用均匀外磁场对传感器的每个关键磁性部件进行磁化，以获取设计期望的磁化方向；切割所述衬底以获得单个所述的传感器。本发明专利技术给出了利用半导体晶圆工艺与微电子机械系统(MEMS)技术相结合，大规模低成本生产这种类型传感器的制造方案。

【技术实现步骤摘要】
一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法本申请是申请号为201510095638.2，申请日为2015年1月29日，专利技术创造名称为“一种微电子机械系统传感器”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及到可用于跌倒检测，相对于重力方向的数字化倾斜角度测量，高灵敏度的数字化机械振动和机械脉冲测量等的微电子机械系统传感器的大规模生产方法。
技术介绍
跌倒检测非常重要的，其广泛地应用于老年人护理，病人护理，儿童护理，残疾人护理，以及如滑雪，徒步旅行，骑自行车等户外运动安全保障等方面。生产一个可靠的跌倒检测系统产品具有巨大的市场潜力和有益的社会影响。基于加速度传感器的常规跌倒检测系统使用了大量不同的算法以建立跌倒事件的加速度模型或阈值，并通过比较跌倒过程中获得的加速度数据与预设的模型或阈值来检测跌倒事件是否发生。然而，随机跌倒事件取决于当时的实际情况和宿主跌倒之前的运动情况。如此复杂的跌倒事件，不可能用一种精确的算法模型来模拟事件发生的实际情况。尽管付出了巨大的努力，可市场上并没有一种很有影响力的成功产品。本专利技术通过直接监测事件发生时宿主与当地重力方向之间的相对位置和方位的变化过程以判断跌倒事件是否发生，彻底解决了上述难题。相对于跌倒检测而言，测量相对于重力方向的倾斜角度也非常有用。目前，相对于重力方向或地面的倾斜角度也多半是由加速度计测量加速度而间接得到。高敏感的振动检测也有很多的应用。常规的一般使用加速度计(如压电传感器或电容传感器)，速度传感器(如电磁线速度换能器)，物体接近探头(如电容或涡电流)，或激光位移传感器对振动进行检测。在本专利中，我们专利技术了一种全新的传感器，用于满足上述倾斜传感器或振动传感器的应用要求。同时给出了针对不同的灵敏度要求的各种设计实例。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有如跌倒检测，动态倾斜检测和振动检测等多种应用的微电子机械系统传感器，同时给出了具有不同的灵敏度的各种传感器设计方案。本专利技术并给出了利用半导体晶圆工艺与微电子机械系统(MEMS)技术相结合，大规模低成本生产这种类型传感器的制造方案。该传感器具有很强的单轴性，可用于检测沿其单轴方向的薄膜或硬表面上的振动。基于该传感器可开发出一种新型声纳技术。基于本专利技术的传感器，另加线圈的设计可采集振动能量作为能源而形成一个自供电的多用途传感器。与无线技术集成一起的本专利技术的传感器作为一个基本关键单元，可用于构建大规模无线传感器网络。作为海啸与地震警报系统的一部分，在目标深度的大海中大规模悬浮部署本专利技术的传感器可用于深海地震和海啸的监测。附图说明图1(A)：正常行走时可被专门设计的传感器检测的宿主身体与其重力方向的相对位方位示意图。图1(B)：可被专门设计的传感器检测的跌倒时宿主身体与其重力方向相对方位示意图。图2(A)：本专利技术的传感器的一种实施方案示意图。图2(B)：图2(A)中所示传感器的磁通感应线圈218对宿主身体移动的输出电动势电压动态响应示意图。图2(C)：图2(A)中所示传感器的电容器205对宿主身体移动的电容动态响应示意图。图3：与图2(A)所示传感器类似但具有额外的顶部硬磁体的另一种传感器实施方案示意图。图4(A)：本专利技术的传感器的一种实施方案示意图。图4(B)：图4(A)中所示传感器的各向异性磁阻(AMR)感应器404俯视示意图。图4(C)：图4(A)中所示传感器的巨磁阻(GMR)感应器404俯视示意图。图4(D)：图4(A)中所示传感器的隧道磁阻(TMR)感应器404的横截面示意图。图4(E)：沿图4(D)中A-A’线所示隧道磁阻(TMR)感应器404的俯视示意图。图5：与图4(A)所示传感器类似但具有额外的顶部硬磁体的另一种传感器实施方案示意图。图6(A)：用本专利技术的传感器为单元，沿三个正交方向X，Y和Z构成的三传感器组件的前视图和俯视图。图6(B)：图6(A)所示三传感器组件中一个传感器的典型时域输出信号示意图。图6(C)：图6(A)所示三传感器组件中一个传感器相对于其重力方向的倾斜角与其平均输出电压之间的校准关系示意图。图7：本专利技术中具有底部硬磁体的传感器的微制造晶片工艺流程示意图。图8：一种利用传统机械加工将传感器组件与底部和顶部硬磁体组装一起的经济实惠的工艺方式示意图。具体实施方式具体实施方式在特定设计，应用和细节方面的描述能够让任何在本领域的技术人员制造和使用本专利技术。很明显，任何在本领域的技术人员在不脱离本专利技术精神和范围的前提下可以根据本专利技术中的普适原理对本专利技术进行各种修改。因此，本专利技术不旨限于示出的实施例子，而应根据此处公开的原理，特征和技术的一致性赋予最宽范围的涵盖。图1(A)和(B)给出了根据直接监测跌倒事件发生时宿主与当地重力方向之间的相对位置和方位的变化而检测跌倒是否发生的原理。宿主可以是任何我们需要关注其是否跌倒的任何物体，如人，机器人，或车辆等。宿主身体的取向一般采用宿主身体中心线为参考标准。不管跌倒过程的具体细节，只直接监测宿主跌倒前后身体取向与其重力方向之间相对方位的变化而判断跌倒是否发生是一种非常可靠的跌倒检测方法。在此描述的特定场景中，宿主101是人，其脊柱105被作为宿主101身体取向的参考标准。图1(A)和(B)分别描述了跌倒前后的。很明显，无论跌倒发生的细节如何，以及跌倒前后宿主运动的速度和加速度大小，其重力方向104不会发生而改变。但宿主身体取向105与其重力方向104之间的相对取向，即105和104之间的夹角，在跌倒后已经改变。如图1(A)和(B)所示，本专利技术的传感器102被固定在人体腰部，其轴线方向103平行于该人体取向105而且在跌倒前后保持不变。传感器取向103相对于其重力方向104的方位改变代表宿主身体取向105相对于其重力方向104的方位的变化。因此，忽略掉跌倒过程的具体细节，直接监测传感器取向103相对于其重力方向104的方位改变来检测跌倒事件是非常可靠的。图2(A)为本专利技术的传感器一种设计实施例示意图。该传感器包括一个底部硬磁体201(可以是一层连续硬磁性薄膜，也可是一块硬磁铁)；一个可有可无的非磁性隔层202；在介电材料204内形成的中空管203；悬浮于中空管203内的含硬磁材料的悬浮体206，其表面覆盖的涂层209起降低其与中空管203侧壁之间的摩擦之用；中空管顶盖208以防止悬浮体206逸出中空管203；和一对相向而对构成电容式感应器的电极205，其位于悬浮体206在中空管203轴线217与重力方向215平行时的竖直平衡位置。底部硬磁体201的磁化方向212与悬浮体206内的硬磁材料的磁化方向213平行且相反。如图2(A)所示，当中空管203的轴线217与当地重力方向215平行时，悬浮体206由于底部硬磁体201对其提供的静磁斥力214与其重力215相抗衡而导致其垂直悬浮于中空管203中。任何外部磁场引起的对传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法，其特征在于，涵括：/n一根由介电材料所形成的细长中空管；/n一块位于上述中空管内，横截面比上述中空管略小的含硬磁材料的悬浮体，其磁化方向平行于上述中空管轴向；/n至少一块位于上述中空管底部硬磁体，其磁化方向与上述悬浮体内硬磁材料的磁化方向相反，提供与上述悬浮体重力相反的静磁力以维持上述悬浮体在上述中空管中的悬浮；/n一个感应器 (TRANSDUCER)，用于侦测由上述含硬磁材料的悬浮体在上述中空管内的移动而导致的磁通量变化，或者用于侦测由上述含硬磁材料的悬浮体在上述中空管内位置改变而导致的磁场强度变化；/n所述的微电子机械系统传感器，借助于半导体晶片制造工艺和微电子机械系统（MEMS）的微加工技术，通过如下关键步骤实现大规模生产：/n1) 整平已有为所述传感器而设计的专用集成电路（ASIC）的衬底；/n2) 利用电镀或物理气相沉积制备具有垂直磁各向异性的所述底部硬磁体；/n3) 用蚀刻法清除可蚀刻材料而制备壁厚从几百纳米到几个或十几个微米的所述中空管的，以容纳所述的含硬磁材料的悬浮体；/n4) 在临时可蚀刻材料中制备具有垂直磁各向异性的含硬磁材料的悬浮体，其硬磁材料有与所述的底部硬磁体不一样的磁矫顽力；上述悬浮体通过蚀刻去除临时可蚀刻材料而释放于所述的中空管中；/n5) 在所述中空管外制备所述的感应器（TRANSDUCER）；/n6) 利用均匀外磁场对所述传感器的每个关键磁性部件进行磁化，以获取设计期望的磁化方向；/n7) 切割所述衬底以获得单个所述的传感器。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微电子机械系统传感器的大规模生产方法，其特征在于，涵括：
一根由介电材料所形成的细长中空管；
一块位于上述中空管内，横截面比上述中空管略小的含硬磁材料的悬浮体，其磁化方向平行于上述中空管轴向；
至少一块位于上述中空管底部硬磁体，其磁化方向与上述悬浮体内硬磁材料的磁化方向相反，提供与上述悬浮体重力相反的静磁力以维持上述悬浮体在上述中空管中的悬浮；
一个感应器(TRANSDUCER)，用于侦测由上述含硬磁材料的悬浮体在上述中空管内的移动而导致的磁通量变化，或者用于侦测由上述含硬磁材料的悬浮体在上述中空管内位置改变而导致的磁场强度变化；
所述的微电子机械系统传感器，借助于半导体晶片制造工艺和微电子机械系统（MEMS）的微加工技术，通过如下关键步骤实现大规模生产：
1)整平已有为所述传感器而设计的...

【专利技术属性】
技术研发人员：易舸，万渡江，
申请(专利权)人：万渡江，易舸，
类型：发明
国别省市：广西;45