一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器制造技术

本发明专利技术属于微机电技术领域，具体为一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器。包括硅衬底，以及集成在硅衬底上的音叉式TPoS谐振器的磁场传感器；所述音叉式TPoS谐振器的磁场传感器包括金属螺旋线圈、第一频率变化单元和第二频率变化单元；第一频率变化单元包括微杠杆和三音叉式TPoS谐振器，微杠杆的一端连接金属螺旋线圈，另一端连接三音叉式TPoS谐振器；第二频率变化单元与第一频率变化单元结构尺寸完全相同，且与第一频率变化单元关于金属螺旋线圈呈中心对称。与传统的电容式谐振器相比，本发明专利技术通过设置在两个频率变化单元的音叉式TPoS谐振器，降低在封装和外部信号处理电路设计的复杂度，实现更低的制备成本。实现更低的制备成本。实现更低的制备成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器


[0001]本专利技术属于微机电(Micro
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Electro
‑
Mechanical Systems,MEMS)
，具体涉及一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器。

技术介绍

[0002]电子指南针是一种指引方向的工具，它由于结构稳定,可以简单的和其他电子系相连接。由于其工作性能稳定,精度较高，被广泛地应用于手机、笔记本电脑、电子穿戴设备等智能移动终端中。作为电子指南针的核心部件，高性能磁场传感器一直受到研究人员的重点关注。传统的磁场传感器包括霍尔传感器和磁阻传感器。它们分别利用了霍尔效应和磁性材料的特性来检测外部磁场的变化。霍尔传感器的优点为加工制备工艺成熟，成本较低，加工工艺易与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容；它的缺点是需要通过增大功耗的方式来提升其磁场分辨率。磁阻传感器的磁场分辨率较高，工作范围较宽，但是该类型传感器的性能依赖于磁性材料的特性，而且不易与CMOS器件集成。与上述两种传统磁场传感器相比，基于MEMS技术的硅基谐振式的磁场传感器因其功耗低、体积小、易与CMOS工艺兼容等优点，近年来受到研究人员的广泛关注。
[0003]目前，基于MEMS技术的谐振式磁场传感器主要采用电容式换能方式，即外部磁场产生的洛伦兹力驱动谐振器振动，并造成电容量的变化。通过外部电路读取器件中电容的变化量来实现检测磁场的目的。电容式换能方式的缺点是机电换能效率较低，需要在施加直流偏置电压和高真空环境下才能表现出较好的性能。因此，这对器件的外部信号处理电路设计技术和真空封装技术提出了较为严苛的要求，导致该类型磁场传感器的设计复杂度和加工制备成本显著上升。因此，有必要提供一种设计简单、成本低的磁场传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：提供了一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，利用了音叉式TPoS谐振器具机电换能效率高、且能在一个大气压环境下实现较高的品质因数这一特点，降低了在封装方面和外部信号处理电路设计方面的复杂度，实现比电容式谐振器更低的制备成本。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，包括硅衬底，以及集成在硅衬底上的音叉式TPoS谐振器的磁场传感器；
[0007]所述音叉式TPoS谐振器的磁场传感器包括金属螺旋线圈、第一频率变化单元和第二频率变化单元；
[0008]第一频率变化单元包括微杠杆和三音叉式TPoS谐振器，微杠杆的一端连接金属螺旋线圈，另一端连接三音叉式TPoS谐振器；第二频率变化单元与第一频率变化单元结构尺寸完全相同，且与第一频率变化单元关于金属螺旋线圈呈中心对称。
[0009]进一步的，采用深反应离子刻蚀工艺对除音叉式TPoS谐振器的磁场传感器接触区
域以外的硅衬底进行刻蚀，以使音叉式TPoS谐振器的磁场传感器悬空放置在硅衬底上，进一步提升器件的品质因素Q值。
[0010]进一步的，构成金属螺旋线圈的金属螺旋线自上而下依次包括：金属层、第一隔离氧化层和掺杂硅层；相邻两线圈之间通过硅连接梁连接。
[0011]进一步的，所述三音叉谐振器包括基底、谐振梁和两个连接端；
[0012]基底上设有4个矩形金属片，4个矩形金属片中的其中两个作为接地电极盘，另外2个分别为输入电极盘和输出电极盘；
[0013]谐振梁有3根，包括两根侧边梁和一根中间梁；3根谐振梁平行连接于两个连接端之间；每根谐振梁结构相同，都由掺杂硅和同层设置在掺杂硅上的金属电极和条形传输线组成，金属电极位于梁的两端，通过条形传输线相连；金属电极与掺杂硅之间设有压电薄膜层，条形传输线与掺杂硅之间设有第一隔离氧化层；两根侧边梁上的金属电极为输入电极，中间梁上的电极为输出电极；
[0014]两个连接端分别为第一连接端和第二连接端，并都设有锚点，第一连接端通过锚点与基底相连，第二连接端通过锚点与微杠杆相连；输入电极的一端通过第一连接端与输入电极盘相连，输出电极的一端通过第一连接端与输出电极盘相连。
[0015]更进一步的，所述微杠杆包括第一级微杠杆和第二级微杠杆，第一级微杠杆和第二级微杠杆之间通过杠杆连接件连接；第一级微杠杆上设有输入端和第一支撑梁，输入端直接连接金属螺旋线圈，第一支撑梁固定在硅衬底上；第二级微杠杆长度远大于第一微杠杆，其上设有输出端和第二支撑梁，第二支撑梁同样固定在硅衬底上，输出端直接连接三音叉TPoS谐振器第二连接端的锚点。
[0016]更进一步的，所述第一隔离氧化层材料为二氧化硅，厚度为0.3μm～1.5μm；所述金属电极和条形传输线采用材料为银、铜、金、铝、镍或铅等金属，厚度为0.5μm～2μm；所述压电薄膜的压电材料为AlN、ZnO、PZT、PVDF、LiNbO3或LiTaO3，厚度为0.5μm～2μm。
[0017]进一步的，所述硅衬底包括自下而上依次层叠的衬底硅、第二隔离氧化层、以及掺杂硅层。
[0018]采用上述技术方案后，本专利技术具有了以下有益效果：
[0019]1、本专利技术利用了音叉式TPoS谐振器具机电换能效率高、且能在一个大气压环境下实现较高的品质因数(Q值)这一特点，在两个第一频率变化单元中，各采用一个音叉式TPoS谐振器，相比于传统的电容式谐振器降低了在封装方面和外部信号处理电路设计方面的复杂度，实现比电容式谐振器更低的制备成本。
[0020]2.本专利技术通过硅连接梁对实现了对金属螺旋线圈中多圈走线相邻两线圈进行连接，实现了对洛伦兹力的叠加传导，从而达到了提升器件磁场灵敏度的效果。并在此基础上，将金属螺旋线圈与微杠杆耦合连接，实现了对叠加后洛伦兹力的再次放大，进一步提高了磁场传感器的灵敏度。
附图说明
[0021]图1本专利技术提供的基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器的三维结构图；
[0022]图2为图1俯视图；
[0023]图3为本专利技术提供的金属螺旋线圈相互连接图；
[0024]图4为本专利技术提供的二级微杠杆结构图；
[0025]图5为本专利技术提供的三音叉谐振器的三维结构图；
[0026]图6为图5的A
‑
A
’
和B
‑
B
’
截面图；
[0027]图7为本专利技术提供的三音叉谐振器的导纳参数随磁场的变化图；
[0028]图8为本专利技术提供的三音叉谐振器对于不同磁场的频率偏移图。
[0029]附图标记：
[0030]1、金属螺旋线圈；101、金属层；102、硅连接梁；103、第一隔离氧化层；104、第一金属焊盘；105、第二金属焊盘；2、第一微杠杆；201、第一级微杠杆；202、第二级微杠杆；203、输入端；204
‑
第一支撑梁；205、杠杆连接梁；206、第二支撑梁；207、输出端；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，包括硅衬底，以及集成在硅衬底上的音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述音叉式TPoS谐振器的磁场传感器包括金属螺旋线圈、第一频率变化单元和第二频率变化单元；第一频率变化单元包括微杠杆和三音叉式TPoS谐振器，微杠杆的一端连接金属螺旋线圈，另一端连接三音叉式TPoS谐振器；第二频率变化单元与第一频率变化单元结构尺寸完全相同，且与第一频率变化单元关于金属螺旋线圈呈中心对称。2.根据权利要求1所述的一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，其特征在于：采用深反应离子刻蚀工艺对除音叉式TPoS谐振器的磁场传感器接触区域以外的硅衬底进行刻蚀，以使音叉式TPoS谐振器的磁场传感器悬空放置在硅衬底上。3.根据权利要求1所述的一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，其特征在于：构成金属螺旋线圈的金属螺旋线自上而下依次包括：金属层、第一隔离氧化层和掺杂硅层；相邻两线圈之间通过硅连接梁连接。4.根据权利要求1所述的一种基于音叉式TPoS谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述三音叉谐振器包括基底、谐振梁和两个连接端；基底上设有4个矩形金属片，4个矩形金属片中的其中两个作为接地电极盘，另外2个分别为输入电极盘和输出电极盘；谐振梁有3根，包括两根侧边梁和一根中间梁；3根谐振梁平行连接于两个连接端之间；每根谐振梁结构相同，都由掺杂硅和同层设置在掺杂硅上的金属电极和条形传输线组成，金属电极位于梁的两端，通过条形传输线相连；金属电极与掺杂硅之间设有压电薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂程，欧阳旭恒，张晓升，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：