基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于洛伦兹力的三轴MEMS磁场传感器，包括衬底、框架、锚区、弹簧、传感电极、驱动金属层、检测金属层以及质量块。该传感器利用MEMS工艺加工，利用梳齿电容组成的电容式感应电极。三轴感应电极集成在一个单一的质量块和框架之间，消除了轴间耦合，提高了灵敏度和降低噪声。该磁场传感器结构简单，灵敏度高，噪声小。噪声小。噪声小。

【技术实现步骤摘要】
基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于传感器
，具体来说，涉及一种基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]磁场传感器是一种可以将各种磁场及其变化转换为电信号以进行输出的设备。磁场或与磁场有关的信息存在于自然界和人类社会的许多地方。使用人工设置的永磁体产生的磁场，可用作多种信息的载体。因此，检测，收集，存储，转换，再现和监视各种磁场以及磁场中携带的各种信息的任务自然落在磁场传感器上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中必不可少的基本组件。目前，人们已经开发出利用各种物理，化学和生物效应的磁场传感器，并已广泛用于科学研究，生产和社会生活的各个方面，并承担了探索各种信息的任务。
[0003]随着技术的发展，磁场传感器被越来越广泛地使用，并且与人类生活息息相关。它们被广泛用于消费，工业和军事领域。磁场传感器广泛用于直接或间接测量系统。磁场传感器在磁盘上的应用使计算机拥有无限的存储空间。在航空领域的应用使飞行更加安全；海上航行中广泛使用的电磁罗盘使航行更加准确。磁传感器的显着特征是它可以执行非接触式测量，检测信号几乎不受被测物体的影响，具有抗污染和强噪声的特性，即使在非常恶劣的环境条件下也可以可靠地工作。

技术实现思路

[0004]技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：提供了一种基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，该传感器可以测量三个方向的磁场变化，且该传感器能够消除轴间耦合，结构简单、尺寸小、灵敏度高。
[0005]本专利技术的基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，包括衬底、以及设置在衬底上的结构运动部分和结构固定部分。
[0006]所述结构固定部分包括框形锚区、质量块、第一传感电极组、第二传感电极组、第三传感电极组、第四传感电极组和中心焊盘；质量块位于框形锚区的中心位置，第一传感电极组、第二传感电极组、第三传感电极组和第四传感电极组均匀设置在质量块的四周，中心焊盘设置在质量块的上表面中心位置。
[0007]所述结构运动部分包括框架、第一框架金属线、弹簧组件、第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组。第一框架金属线设置在框架上表面的周边。
[0008]所述弹簧组件连接在框架和框形锚区之间；第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组与框架连接，且位于框架内，第五传感电极组与第一传感电极组相对设置形成第一电容，第六传感电极组和第二传感电极组相对设置形成第二电容、第七传感电极组和第三传感电极组相对设置形成第三电容、第八传感电极组和第四传
感电极组相对设置形成第四电容。
[0009]进一步的，所述弹簧组件包括第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧；第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧分别连接在框架和框形锚区之间；第一弹簧、第三弹簧、第一电容和第三电容位于同一直线上。第二弹簧、第四弹簧、第二电容和第四电容位于同一直线上。
[0010]进一步的，所述结构运动部分还包括第二框架金属线、第二弹簧金属线。
[0011]所述结构固定部分还包括设置在锚区上的焊盘五、焊盘六、焊盘七和焊盘八；焊盘五、焊盘六、焊盘七和焊盘八分别邻近第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的一端，且与第二弹簧金属线连接。
[0012]第二框架金属线设置在框架上表面的周边，且位于第一框架金属线的下方，第二框架金属线与第一框架金属线之间设置有绝缘层，第二弹簧金属线设置在弹簧组件的上表面，第二弹簧金属线通过第二框架金属线连接第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组。
[0013]进一步的，第二弹簧金属线上设置有绝缘层和第一弹簧金属线，绝缘层位于第二弹簧金属线和第一弹簧金属线之间，第一框架金属线、第一弹簧金属线的位置分别与第二框架金属线、第二弹簧金属线的位置对应。
[0014]所述结构固定部分还包括设置在锚区上的第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘；
[0015]第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘分别邻近第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的一段，且与第一弹簧金属线连接。
[0016]第一弹簧金属线通过第一框架金属线连接第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组。
[0017]基于洛伦兹力的三轴MEMS磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0018]步骤1，对N型晶向低阻双抛硅清洗，在锚区、弹簧组件、框架部分掩膜，对于中间质量块、电极组件通过扩散工艺，制备出硼掺杂硅形成导体；
[0019]步骤2，第一次光刻并刻蚀弹簧组件和电极组件的高度；
[0020]将步骤1扩散后的硅片背面旋涂一层光刻胶并进行光刻，刻蚀出弹簧组件和电极组件的位置；
[0021]所述弹簧组件包括第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧；
[0022]所述电极组件包括第一传感电极组、第二传感电极组、第三传感电极组、第四传感电极组、第五传感电极组、第六传感电极组、第七传感电极组和第八传感电极组；
[0023]步骤3，第二次光刻并确定硅片背面框架区域的高度；
[0024]将硅片背面框架部分对应的高度刻低至低于锚区和质量块；
[0025]步骤4，硅
‑
玻璃键合，将玻璃作为衬底
[0026]步骤5，第三次光刻工确定弹簧组件和电极组件的高度对硅片正面，旋涂光刻胶并进行光刻，然后在弹簧组件和电极组件所在位置进行刻蚀，从而确定弹簧组件和电极组件的高度；
[0027]步骤6，进行第四次光刻并制作检测金属层；
[0028]在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出锚区焊盘五到焊盘八、弹簧组件及框
架区域，溅射检测金属层，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上的检测金属层洗掉，从而在锚区上形成焊盘五、焊盘六、焊盘七、焊盘八，在弹簧组件上形成第二弹簧金属线，在框架上形成第二框架金属线；
[0029]步骤7，第五次光刻并沉积SiO绝缘层；
[0030]在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出检测金属层，其他区域覆盖光刻胶，然后沉积绝缘层，利用剥离工艺将光刻胶和光刻胶上绝缘层洗掉，从而得到位于弹簧组件及框架区域的绝缘层；
[0031]步骤8，第六次光刻并制作驱动金属层；
[0032]在硅片正面旋涂光刻胶并进行光刻，暴露出绝缘层，其他区域覆盖光刻胶，沉积驱动金属层，利用剥离工艺将对光刻胶和光刻胶上的驱动金属层洗掉，从而在锚区上形成第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘，在弹簧组件上形成第一弹簧金属线，在框架上形成第一框架金属线。
[0033]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果。
[0034]1.结构简单，可以实现三个方向的磁场检测。仅需要简单的工艺实现，利用平板电容的概念，将运动信号转化为电信号。四个电容对磁场响应后，即可得到总磁场的大小及方向。
[0035]2.性能更优。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，其特征在于，包括衬底(1)、以及设置在衬底(1)上的结构运动部分和结构固定部分；所述结构固定部分包括框形锚区(3)、质量块(6)、第一传感电极组(51)、第二传感电极组(52)、第三传感电极组(53)、第四传感电极组(54)和中心焊盘(10)；质量块(6)位于框形锚区(3)的中心位置，第一传感电极组(51)、第二传感电极组(52)、第三传感电极组(53)和第四传感电极组(54)均匀设置在质量块(6)的四周，中心焊盘(10)设置在质量块(6)的上表面中心位置；所述结构运动部分包括框架(2)、第一框架金属线(76)、弹簧组件(4)、第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)；所述弹簧组件(4)连接在框架和框形锚区(3)之间，第一框架金属线(76)设置在框架(4)上表面的周边；第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)与框架连接，且位于框架内，第五传感电极组(55)与第一传感电极组(51)相对设置形成第一电容(33)，第六传感电极组(56)和第二传感电极组(52)相对设置形成第二电容(34)、第七传感电极组(57)和第三传感电极组(53)相对设置形成第三电容(35)、第八传感电极组(58)和第四传感电极组(54)相对设置形成第四电容(36)。2.根据权利要求1所述基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，其特征在于，所述弹簧组件(4)包括第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)；第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)分别连接在框架和框形锚区(3)之间；第一弹簧(11)、第三弹簧(13)、第一电容(33)和第三电容(35)位于同一直线上；第二弹簧(12)、第四弹簧(14)、第二电容(34)和第四电容(36)位于同一直线上。3.根据权利要求1所述基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，其特征在于，所述结构运动部分还包括第二框架金属线(95)、第二弹簧金属线(96)；所述结构固定部分还包括设置在锚区(3)上的焊盘五(91)、焊盘六(92)、焊盘七(93)和焊盘八(94)；焊盘五(91)、焊盘六(92)、焊盘七(93)和焊盘八(94)分别邻近第一弹簧(11)、第二弹簧(12)、第三弹簧(13)和第四弹簧(14)的一端，且与第二弹簧金属线(96)连接；第二框架金属线(95)设置在框架(4)上表面的周边，且位于第一框架金属线(76)的下方，第二框架金属线(95)与第一框架金属线(76)之间设置有绝缘层，第二弹簧金属线(96)设置在弹簧组件(4)的上表面，第二弹簧金属线(96)通过第二框架金属线(95)连接第五传感电极组(55)、第六传感电极组(56)、第七传感电极组(57)和第八传感电极组(58)。4.根据权利要求3所述基于洛伦兹力的三维MEMS磁场传感器，其特征在于，第二弹簧金属线(96)上设置有绝缘层和第一弹簧金属线(75)，绝缘层位于第二弹簧金属线(96)和第一弹簧金属线(75)之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洁，单婉婷，颜子尧，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：