基于永磁薄膜的MEMS磁傳感器設(shè)計(jì)與制作*

， 鐘少，

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050;2.中國科學(xué)院大學(xué) 微系統(tǒng)與信息技術(shù)學(xué)院，上海 200050)

0 引 言

磁傳感器是指能將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號、光信號等便于檢測的物理量的裝置。磁傳感器應(yīng)用廣泛，可用于智能交通、醫(yī)療、探礦、電子羅盤等多種場合[1～4]。與傳統(tǒng)磁傳感器相比，MEMS磁傳感器具有體積小、成本低、功耗低、可批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)，其研究已引起了廣泛的關(guān)注。

在種類眾多的MEMS磁傳感器中，基于磁性薄膜的MEMS磁傳感器由于其工作時(shí)探頭不需要激勵(lì)，可以降低MEMS磁傳感器的功耗，因此，發(fā)展成為一類重要的MEMS磁傳感器。文獻(xiàn)[5]中研制的磁傳感器分辨率達(dá)到0.2 μT。該類MEMS磁傳感器中，產(chǎn)生磁力的磁體與微機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，工作時(shí)無需將其激勵(lì)到諧振狀態(tài)，因此，也無需對探頭進(jìn)行真空封裝，可大幅降低磁傳感器的制作成本。

用于制作MEMS磁傳感器的磁性薄膜，常使用軟磁薄膜。軟磁薄膜的矯頑力低，剩磁小，在受到較強(qiáng)外磁場的干擾時(shí)，容易改變其磁化方向，造成MEMS磁傳感器的性能下降甚至失效。永磁薄膜矯頑力大，剩磁高，用于制作MEMS磁傳感器，可提高磁傳感器的靈敏度和分辨率，并且薄膜性能不易受外界磁場干擾，所以，磁傳感器性能更加穩(wěn)定。但永磁薄膜的制作工藝復(fù)雜，與傳統(tǒng)MEMS工藝兼容性差，如需對薄膜的成分配比進(jìn)行嚴(yán)格控制、大多數(shù)永磁薄膜需進(jìn)行高溫退火，且需要豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在大多采用黏貼永磁體的方法來制作磁傳感器[6]。

本文提出了一種基于CoNiMnP永磁薄膜的雙端固支式磁扭擺的低功耗磁傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的電容靈敏度達(dá)27.7 fF/mT,磁場分辨率達(dá)到36 nT。

1 MEMS磁傳感器的設(shè)計(jì)

本文提出的MEMS磁傳感器由MEMS磁扭擺和檢測差分電容構(gòu)成，MEMS磁扭擺由雙端固支梁的硅薄膜上制作CoNiMnP永磁薄膜構(gòu)成，器件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。MEMS磁傳感器工作原理是：磁性薄膜受到與其磁矩方向正交的外磁場作用時(shí)將產(chǎn)生磁扭矩；在該磁扭矩作用下，MEMS磁扭擺將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，與硅彈性扭轉(zhuǎn)梁彈性扭轉(zhuǎn)力矩平衡，MEMS磁扭擺的扭轉(zhuǎn)角度與外磁場對應(yīng)；MEMS磁扭擺與位于襯底上的2個(gè)電極構(gòu)成1對差分電容器，MEMS磁扭擺扭轉(zhuǎn)的角度變化導(dǎo)致差分電容器的電容差值變化；通過電容檢測電路檢測差分電容器的電容差值，可以檢測待測外磁場強(qiáng)度。

圖1 基于永磁薄膜的MEMS磁傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.1 MEMS磁傳感器工作原理

MEMS磁傳感器的永磁薄膜進(jìn)行垂直于平面內(nèi)的磁化，磁化后的永磁薄膜可以與薄膜平面內(nèi)垂直于扭轉(zhuǎn)梁方向的磁場作用產(chǎn)生磁扭矩，產(chǎn)生的磁扭矩可以表示為[7]

(1)

(2)

其中,φ為扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)角度，kφ為扭轉(zhuǎn)梁的等效彈簧系數(shù)。

(3)

可用差分電容檢測的方法來檢測磁扭擺的轉(zhuǎn)角度,如圖2所示，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度不大時(shí)，磁扭擺扭轉(zhuǎn)引起的差分電容電容差值變化為[9]

(4)

圖2 差分電容檢測示意圖

1.2 MEMS磁傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文的MEMS磁扭擺式磁場傳感器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括扭轉(zhuǎn)梁的長、寬、高，磁性薄膜的長、寬、高及磁特性和差分電容的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在對這些參數(shù)進(jìn)行選取時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面：1)磁扭擺扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)力不能過大；2)扭轉(zhuǎn)梁扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)設(shè)計(jì)的要盡量小，同時(shí)要滿足器件檢測帶寬和抗震的要求；3)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)為MEMS磁扭擺的主要運(yùn)動模態(tài)；4)磁性薄膜的剩磁強(qiáng)度要盡可能的強(qiáng)；5)在芯片面積一定的情況下，盡量增加檢測電容的初始電容值；6)滿足現(xiàn)有MEMS工藝條件的限制。

通過對器件參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，且充分考慮器件的工藝可實(shí)現(xiàn)性,可以得到如表1所示的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3為ANSYS軟件模擬的MEMS磁扭擺系統(tǒng)的前五階模態(tài)的振型。MEMS磁傳感器結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，其中，一階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)模態(tài)；二階模態(tài)為磁扭擺在平面內(nèi)的平動模態(tài)；三階模態(tài)為平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)；四階模態(tài)為垂直于平面的振動模態(tài)；五階模態(tài)也為扭轉(zhuǎn)模態(tài)，但扭轉(zhuǎn)方向與一階模態(tài)扭轉(zhuǎn)方向垂直。二～五階模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于一階模態(tài)頻率，可認(rèn)為該MEMS磁傳感器對振動不敏感。

表1 MEMS磁傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 MEMS磁傳感器前五階模態(tài)振型

2 MEMS磁傳感器的制作

MEMS磁傳感器由SOI硅片和Pyrex 7740玻璃鍵合而成。SOI硅片用于實(shí)現(xiàn)微機(jī)械扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，玻璃片支撐微機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在其上制作差分電容器的電極。MEMS磁傳感器的工藝流程圖如圖4所示，具體工藝步驟如下：

a.首先，在(100)取向的n型SOI硅片上通過熱氧化生長200 nm的SiO2。選用的SOI硅片頂層硅厚度為30 μm，埋層SiO2厚度為2 μm，襯底硅厚度為380 μm。

b.腐蝕形成磁扭擺的運(yùn)動空間：光刻顯影后，在SOI硅片的頂層硅上選擇性地腐蝕SiO2。去膠后將硅片放入40 ℃、體積分?jǐn)?shù)為24.6 %的KOH溶液中腐蝕約1 h，形成磁扭擺的運(yùn)動空間，腐蝕深度約為5 μm。

c.在玻璃片上通過磁控濺射沉積厚度為0.5 μm的Al。

d.光刻后，在80 ℃的磷酸中腐蝕去掉多余的Al得到差分電容器的檢測電極。

e.將SOI硅片上的圖形與玻璃片上的圖形進(jìn)行對準(zhǔn)，采用陽極鍵合工藝進(jìn)行硅—玻璃鍵合，鍵合面為SOI硅片頂層硅與玻璃片沉積Al電極的一面。

f.將鍵合片在50 ℃、體積分?jǐn)?shù)為24.6 %的KOH溶液中腐蝕約38 h，去除SOI硅片的襯底硅，隨后用HF腐蝕去除埋層SiO2。

g.光刻顯影后，在硅薄膜上通過電鍍工藝沉積厚度為4 μm的CoNiMnP合金薄膜,并通過lift-off工藝圖形化。

h.用光刻膠作掩模，深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)鍵合片上的硅薄膜，進(jìn)行MEMS扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)釋放，再去光刻膠，完成MEMS磁傳感器的制作。

最終得到的MEMS磁傳感器如圖5所示，最終得到的MEMS磁傳感器的芯片尺寸為3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。

圖4 MEMS磁傳感器制作工藝流程圖

圖5 MEMS磁傳感器SEM照片

3 MEMS磁傳感器的測試

通過電鍍沉積的CoNiMnP磁性薄膜厚度約為4 μm。CoNiMnP薄膜為一種永磁薄膜，可進(jìn)行平面內(nèi)磁化和垂直于平面內(nèi)磁化。本文中對磁性薄膜進(jìn)行了垂直于平面內(nèi)的磁化，磁化后薄膜剩磁為0.15 T，矯頑力2 100 Oe。

MEMS磁傳感器的測試在室溫和無磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行。直流電流源驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生待測磁場，電流源調(diào)節(jié)電磁鐵線圈中的電流可得到不同大小的磁場。首先利用商用霍爾磁傳感器對磁場源定標(biāo)：記錄電流源輸出電流與電磁鐵產(chǎn)生磁場的關(guān)系；然后將MEMS磁傳感器置于電磁鐵的2個(gè)磁極之間，電磁鐵的磁場方向平行于磁性薄膜表面并與扭轉(zhuǎn)梁垂直，根據(jù)定標(biāo)記錄調(diào)整電流源輸出，得到MEMS磁傳感器差分電容電容差值變化與待測磁場的關(guān)系，如圖6所示。

在圖6中，由測試點(diǎn)擬合出的直線斜率可知，外磁場改變1 mT，電容差值大約變化27.7 fF，其電容檢測靈敏度為27.7 fF/mT。假設(shè)電容檢測電路能檢測的最小電容變化為1 aF，可以推算出MEMS磁傳感器能夠分辨的最小磁場為36 nT。

圖6 MEMS磁傳感器的輸出特性

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)和制作了一種基于CoNiMnP永磁薄膜

的MEMS磁傳感器。永磁薄膜可以與外界磁場相互作用產(chǎn)生磁扭矩從而引起磁扭擺的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)角度通過差分電容檢測的方式進(jìn)行檢測，最終得到待測磁場的信息。本文中采用了CoNiMnP永磁薄膜作為磁敏感單元，永磁薄膜矯頑力大，在充磁后可保持其磁性，MEMS磁傳感器工作時(shí)探頭無需施加電流激勵(lì)，可降低磁傳感器的功耗。采用MEMS加工技術(shù)制作了MEMS磁傳感器，最終得到的MEMS磁傳感器尺寸為3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。測試結(jié)果表明:得到的MEMS磁傳感器的靈敏度為27.7 fF/mT，并具有良好的線性。根據(jù)現(xiàn)有的電容檢測技術(shù)，傳感器最小可分辨的磁場大小為36 nT。

參考文獻(xiàn):

[1] Lenz J,Edelstein A S.Magnetic sensors and their application-s[J].IEEE Sensor Journal,2006,6(3):631-649.

[2] Guillermo V Q,Manuel R L,Alfonso C R,et al.Design of a low-consumption fluxgate transducer for high-current measurement applications[J].IEEE Sensor Journal,2011,11(2):280-287.

[3] 鄭小林，李 金，侯文生，等.應(yīng)用磁傳感器陣列定位跟蹤消化道診療膠囊[J].光學(xué)·精密工程，2009,17(3)：576-582.

[4] Vyhnanek J,Janosek M,Ripka P.AMR gradiometer for mine detection[J].Sensors and Actuators A,2012,186:100-104.

[5] Yang H H ,Myung N V,Yee J,et al.Ferromagnetic micromechanical magnetometer[J].Sensors and Actuators A,2002,97-98:88-97.

[6] Du G T,Chen X D,Lin Q B,et al.MEMS magnetic field sensor based on silicon bridge structure[J].Journal of Semiconductors,2010,31(10):104011—1-104011—6.

[7] Vasquez D J ,Judy J W.Optically-interrogated zero-power MEMS magnetometer[J].Journal of Micro-Electro-Mechanical Systems,2007,16(2):336-343.

[8] Bao M H.Analysis and design principles of MEMS devices[M].Amsterdam:Elsevier,2005.

[9] 任大海，閻梅芝，尤 政.扭擺型諧振式磁強(qiáng)計(jì)及其激振與測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].納米技術(shù)與精密工程，2007,5(3): 190-196.