一种基于制造技术

本发明专利技术公开了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于AlN
‑
on
‑
Si谐振器的加速度磁场复合式传感器


[0001]本专利技术属于微机电
(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical Systems,MEMS)

，具体涉及一种基于
AlN
‑
on
‑
Si
谐振器的加速度磁场复合式传感器
。

技术介绍

[0002]随着电子信息技术的飞速发展，传感器的重要性越发凸显
。
加速度传感器和磁场传感器是两类重要的传感器类型
。
加速度传感器被广泛应用于姿态检测，运动感知等领域，具有无可替代的作用
。
目前，主流的加速度传感器类型有压阻式，压电式，电容式
。
基于电容式换能方式的加速度传感器已经获得大规模商用
。MEMS
加速度传感器一般由微小的质量块和微型弹簧组成
。
当加速度作用于传感器时，质量块会受到惯性力的作用而发生位移，从而在弹簧中产生应变
。
感应电路会将上述位移量或应变量转化为电信号输出，可以通过测量电信号的变化来确定物体所受的加速度
。
基于
MEMS
技术的加速度传感器的主要优点有体积小，便于集成，低功耗，低成本，在市场中占有重要地位
。
[0003]磁场传感器在功率电子
、
工业控制
、
航空航天<br/>、
消费电子等领域都有广泛的应用，例如检测设备开合的开关
、
检测电流大小的磁场感应器
、
以及用于定位导航的电子罗盘等
。
当前大规模商用的磁场传感器主要为霍尔传感器和磁阻传感器
。
霍尔传感器的主要缺点是温度稳定性较差，需要外接温度补偿电路，以及功耗较高
。
磁阻传感器具有较高的灵敏度，但是这类传感器包含磁性材料，导致加工制备工艺复杂，并且难以与硅基电路进行集成
。
同上述两种传感器相比，基于
MEMS
技术的硅基磁场传感器具有低功耗
、
体积小
、
易于大规模制造以及同
CMOS
工艺兼容的优势，受到广泛关注
。
[0004]目前，
MEMS
磁场传感器有两种进行磁场感应的方式，第一种是在
MEMS
结构中集成铁磁性材料薄膜，第二种是基于洛伦兹力原理
。
后者相比于前者而言具有较低的加工难度以及更好的工艺兼容性，缺点是产生的洛伦兹力一般较小，导致其磁场灵敏度较低
。
对于洛伦兹力磁场传感器，目前的主流检测方式为电容式
。
这种方式利用的洛伦兹力来驱动谐振器振动，并读取器件中电容的变化量
。
然而，电容式换能方式存在一些缺点，包括较低的机电换能效率
、
需要直流偏置电压以及高真空工作环境
。
这些缺点导致该类型磁场传感器的设计复杂度和加工制备成本较高
。
[0005]近年来，多功能复合式集成传感器成为了研究人员广泛关注的焦点
。
目前主流的传感器集成方案是多种传感器板级集成，或是在单片集成多个传感器器件
。
上述两种方案仍然需要设计多个传感器结构，阻碍了多功能传感器尺寸的缩小
。
因此，采用单一传感器件结构完成多种物理量检测，实现多功能复合式传感感知，将有利于多功能传感器的微型化和低功耗化，具有重要科学价值和应用前景
。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有多功能传感器技术存在的问题，提出了一种基于
AlN
‑
on
‑
Si
谐振器的加速度磁场复合式传感器
。
所述磁场传感器由三音叉谐振器，金属导线回路，硅连接梁
和硅质量块组成
。
当金属导线回路不施加激励电流时，硅质量块在加速度作用下会产生惯性力，该惯性力会进一步作用在三音叉谐振器上，从而改变三音叉谐振器的谐振频率
。
当金属导线回路施加激励电流时，谐振器还会受到洛伦兹力的作用，此时额外的频率偏移量便反映了磁场的变化量
。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种基于
AlN
‑
on
‑
Si
谐振器的加速度磁场复合式传感器，包括硅连接梁
1、
集成在硅连接梁上的多圈的金属导线回路
2、
硅质量块
3、
三音叉谐振器
4、
硅衬底5；
[0009]所述硅连接梁
1、
金属导线回路2，三音叉谐振器4放置于所述硅衬底5的顶端；硅连接梁呈闭合环状；
[0010]所述金属导线回路2由上到下依次包括：金属导线回路金属层
101、
第一隔离氧化层
102
和掺杂硅层
501
，通过掺杂硅层
501
与硅连接梁1接触；
[0011]所述金属导线回路2右侧为磁场感应端
105
，与右侧下方的硅质量块3直接连接；
[0012]所述硅质量块3同三音叉谐振器锚点
407
直接连接；三音叉谐振器4同硅连接梁1的在平面内平行放置；硅质量块3位于三音叉谐振器的锚点
407
和金属导线回路2之间，通过硅质量块的重力使得三音叉谐振器发生面外方向形变，放大对面外力的灵敏度；
[0013]所述硅衬底5位于硅连接梁1左侧下方，直流输入电极板
103
与直流输出电极板
104
位于硅衬底上方，与硅衬底5之间有层第一隔离氧化层；直流电从直流输入电极板
103
通入，经过多圈金属导线回路2，从直流输出电极板
104
流出；
[0014]所述三音叉谐振器4包括三根谐振梁
、
输出金属电极盘
403、
接地金属电极盘
404、
输入金属电极盘
405、
三音叉谐振器的锚点
407、
压电薄膜6，第一隔离氧化层
102、
和掺杂硅层
501
；
[0015]其中三音叉外侧两根谐振梁为输入部分，中间谐振梁为输出部分，外侧谐振梁从左至右依次为第一输入金属电极
410、
输入条形金属走线
406
，第二输入金属电极
401
；单侧谐振梁的第二输入金属电极与另一侧谐振梁的第二输入金属电极在锚点
407
处连接；输入金属电极盘
405
连接单侧谐振梁的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
AlN
‑
on
‑
Si
谐振器的加速度磁场复合式传感器，其特征在于，所述传感器包括硅连接梁
(1)、
集成在硅连接梁上的多圈的金属导线回路
(2)、
硅质量块
(3)、
三音叉谐振器
(4)、
硅衬底
(5)
；所述硅连接梁
(1)、
金属导线回路
(2)
，三音叉谐振器
(4)
放置于所述硅衬底
(5)
的顶端；硅连接梁
(1)
呈闭合环状；所述金属导线回路
(2)
由上到下依次包括：金属导线回路金属层
(101)、
第一隔离氧化层
(102)
和掺杂硅层
(501)
，通过掺杂硅层
(501)
与硅连接梁
(1)
接触；所述金属导线回路
(2)
右侧为磁场感应端
(105)
，与右侧下方的硅质量块
(3)
直接连接；所述硅质量块
(3)
同三音叉谐振器锚点
(407)
直接连接；三音叉谐振器
(4)
同硅连接梁
(1)
在平面内平行放置；硅质量块
(3)
位于三音叉谐振器的锚点
(407)
和金属导线回路
(2)
之间，通过硅质量块的重力使得三音叉谐振器发生面外方向形变，放大对面外力的灵敏度；所述硅衬底
(5)
位于硅连接梁
(1)
左侧下方，直流输入电极板
(103)
与直流输出电极板
(104)
位于硅衬底上方，与硅衬底
(5)
之间有层第一隔离氧化层；直流电从直流输入电极板
(103)
通入，经过多圈金属导线回路
(2)
，从直流输出电极板
(104)
流出；所述三音叉谐振器
(4)
包括三根谐振梁
、
输出金属电极盘
(403)、
接地金属电极盘
(404)、
输入金属电极盘
(405)、
三音叉谐振器的锚点
(407)、
压电薄膜
(6)
，第一隔离氧化层
(102)、
和掺杂硅层
(501)
；其中三音叉外侧两根谐振梁为输入部分，中间谐振梁为输出部分，外侧谐振梁从左至右依次为第一输入金属电极
(410)、
输入条形金属走线
(406)
，第二输入金属电极
(401)
；单侧谐振梁的第二输入金属电极与另一侧谐振梁的第二输入金属电极在锚点
(40...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂程，潘艺鸣，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：