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基于洛伦兹力的MEMS磁传感器设计及制作
[发布日期:2018-06-07  点击次数:381]

摘要:由于磁性传感技术不会受到灰尘、污垢、油脂、振动以及湿度的影响,因此磁传感器在工业设备和电子仪器中有着广泛的应用,如磁共振成像、生产的自动控制、流程工业、煤矿勘探、电流测量、缺陷定位和铁磁材料剩余应力检测等方面。为了满足不同场合的应用,已根据不同传感原理制备了相应的磁传感器,常见的有超导量子干涉装置(SQUID) 、磁通门磁力计、霍尔效应传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、微机电系统(MEMS)磁传感器。

0、引言

  磁传感器技术分类(来源:《磁传感器市场与技术-2017版》)

  由于磁性传感技术不会受到灰尘、污垢、油脂、振动以及湿度的影响,因此磁传感器在工业设备和电子仪器中有着广泛的应用,如磁共振成像、生产的自动控制、流程工业、煤矿勘探、电流测量、缺陷定位和铁磁材料剩余应力检测等方面。为了满足不同场合的应用,已根据不同传感原理制备了相应的磁传感器,常见的有超导量子干涉装置(SQUID) 、磁通门磁力计、霍尔效应传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、微机电系统(MEMS)磁传感器。在这些传感器中,虽然SQUID可探测极小磁感应强度(fT),但装置需要低温冷却,并且易受电磁干扰,为此需要复杂的外围设备;磁通门磁力计具有体积大、功耗大、运行范围小和不能检测静态磁场的特性,限制了其应用;霍尔效应传感器显示增加灵敏度需靠增加功耗实现;AMR传感器则要求沉积磁性材料及自动校正系统,且在几mT时易出现饱和;由于MEMS技术可以将传统的磁传感器小型化,因此基于MEMS的磁传感器具有体积小、性能高、成本低、功耗低、高灵敏和批量生产等优点,其制备材料以Si为主,消除了磁传感器制备必须采用特殊磁性材料及其对被测磁场的影响。本文对目前基于MEMS的磁传感器在制备过程中涉及的主要设计、制作,传感技术及器件性质进行综述,并对其未来发展进行展望。

  磁传感器市场(来源:《磁传感器市场与技术-2017版》)

  磁传感器供应链和关键厂商(来源:《磁传感器市场与技术-2017版》)

  1MEMS磁传感器设计及制作

  1.1 MEMS磁传感器设计

  为了获得高性能的MEMS磁传感器,首先要根据器件的应用对象对器件进行设计,由此确定器件的结构、使用的材料、应用的工作原理和感应技术等。MEMS设计人员可以根据模拟和建模工具选择制造传感器的最佳工艺和材料,并预测MEMS磁传感器的性能。同时设计人员必须考虑器件制作过程应遵从的材料生长、器件制作、信号调制和感应技术的实现等规则,以避免发生影响传感器性能的错误。在开发商用MEMS传感器时,必须考虑以下几点:优化器件结构设计;包装设计;可靠的材料性能和标准制造工艺;合适的设计和仿真工具;减少电子噪声和寄生电容;可靠的信号处理系统;可靠的测试。

  目前常使用的MEMS设计工具包括MEMSCAPCoventorWareIntelliSuiteSandia Ultra-planar Multi-level MEMS Technology (SUMMiTV) 。这些设计工具具有创建传感器版图和检查设计规则的模块,并且可以模拟微加工过程的步骤,有利于减少获得高性能MEMS磁传感器的时间。

  1.2 MEMS磁传感器制作

  通常,MEMS磁场传感器的制造可以采用体或表面微加工工艺来实现。由于硅具有很好的机械和电学性质而被用来作为其主要加工材料,例如,硅具有最小的机械滞后和接近1GPa的断裂应力。此外,硅在掺杂磷或硼后其电性能可得到明显的改善。

  体微加工工艺是采用湿法和干法蚀刻技术,通过材料的各向同性和各向异性蚀刻制备所需要的材料结构。表面微加工工艺是通过在衬底上进行不同材料层的沉积,图案化和蚀刻实现对MEMS器件的制造。通常,这些层被用作结构和牺牲层。图1分别给出了通过体加工和表面微加工工艺制备的磁传感器的SEM

  图1 体加工和表面加工获得的SEM

  2、传感技术及MEMS磁传感器

  2.1 传感技术

  可以采用不同的传感技术制备MEMS磁传感器,例如压阻式、电容和光学技术。这些技术能够将磁场信号分别转换成电信号或光信号。在电信号检测中,当电源受限或存在强电磁干扰时,会影响其应用。而光信号检测在强电磁场作用及长距离传输等条件下应用比电信号检测更有优势,因此常应用在极端场合。此外,为了获得高的分辨率和灵敏度,MEMS磁传感器需要配有低电子噪声和寄生电容的信号调制系统。

  2.2 各类MEMS磁传感器

  V. Kumar等报道通过内部热压阻振荡放大器实现的洛仑兹力谐振MEMS磁力计具有极高的灵敏度。他们采用偏置电流调谐方法,将谐振器的有效品质因子从680提高到1.14x10^6,已证明内部放大系数提高了1620倍。此外,谐振器偏置电流的增加除了改善器件的品质因子外,也使器件的灵敏度提高了2400(0.9 μV·nT^(-1)2.107 mV·nT^(-1)) 。在直流偏置电流为7.245 mA时,获得最大灵敏度为2.107 mV·nT^(-1),本底噪声为2.8 pT·Hz^(-1/2)

  E. Mehdizadeh等报道了基于洛伦兹力在低电阻率nSOI衬底上制造的MEMS磁传感器,其主元件的SEM和电连接分别如图2所示。该传感器利用了双板硅谐振器(厚度10 μm,其中之一具有10 μm x 200 nm的金线),其中间设计的2个窄梁与2Si板连接;当谐振器在平面振动模式下振荡时,它会受到周期性的拉伸和压缩应力,因此呈现压阻特性。谐谐振器的品质因子在大气压下被放大(114016900) 。此外,该传感器可通过增加谐振器振动幅度来提高其灵敏度。在空气中,当谐振频率为2. 6 MHz、品质因子为16900时,获得传感器灵敏度为262 mV/T

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