专利名称：一种微机械磁场传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种磁场传感器，特别是涉及一种微机械磁场传感器及其制备方法，属于微机械磁场传感器设计及微机械加工领域。
背景技术：
通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航，特别是在航海、航天、自动化控制、军事以及消费电子领域，磁场传感器的应用越来越广泛。磁场传感技术向着小型化、低功耗、高灵敏度、高分辨率以及和电子设备兼容的方向发展。根据工作原理磁场传感器可以分为超导量子干涉磁场传感器、霍尔磁场传感器、磁通门磁力计、巨磁阻磁场传感器以及感应线圈磁场传感器。超导量子干涉磁场传感器在所有磁场传感器中灵敏度最高，但其结构复杂、体积庞大、价格昂贵且需要工作在低温环境下；霍尔磁场传感器功耗低、尺寸小，可以测量静态或者动态磁场，但其灵敏度低，噪声水平及静态偏移较大；磁通门磁力计用来测量静态或者缓慢变化的磁场，分辨率高、功耗小，但体积较大、频率响应较低；巨磁阻磁场传感器灵敏度高，但是不能测量大的磁场；感应线圈磁场传感器是基于法拉第电磁感应定律来探测变化的磁场，它的功耗低，结构简单(A. L. Herrera-May, L. A. Aguilera-Cortes,P.J.Garcia-Ramirez and Ε· Manjarrez, “Resonant magnetic field sensors based onMEMS technology”，Sensors, vol.9, no.10，pp.7785-7813,2009.) 利用 MEMS(MicroElectro Mechanical system,微电子机械系统)技术制作的感应线圈磁场传感器结构简单，易于加工，与 CMOS IC (Complementary Metal Oxide Semiconductor IntegratedCircuit，互补金属氧化物半导体集成电路)工艺相兼容。MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点。MEMS技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务，这样促进了磁场传感器的发展。目前，MEMS结构的磁场传感器主要工作原理是通有电流的感应线圈受到磁场作用的洛伦兹力后，引起支撑线圈的结构发生弯曲或者扭转，通过电容检测或者压阻检测、光学检测等方法测量出支撑线圈结构的扭转变形量或者弯曲变形量，就可以检测出磁场信号的大小。这些器件一般是将感应线圈制作在悬臂梁、U型梁或者可以弯曲或扭转的平板上。器件工作时，将器件放置在磁场中，并在感应线圈上通入电流。感应线圈就会受到洛伦兹力，洛伦兹力会引起悬臂梁、U型梁或者平板的弯曲或者扭转。通过测量悬臂梁、U型梁或者平板弯曲量或者扭转量的大小，就可以检测出磁场的大小。但是，由于这些器件工作都需要给感应线圈通入电流，因而他们的功耗比较大；另外这些器件一般工作在弯曲模态或者扭转模态，因而它们工作的谐振频率较低。鉴于此，如何提出一种微机械磁场传感器及其制备方法，可以使所制备的传感器具有体积小、结构简单、低功耗、及抗干扰的特点，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械磁场传感器及其制备方法，用于解决现有技术中功耗大、结构复杂、以及抗干扰差的问题。为实 现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械磁场传感器及其制备方法。一种微机械磁场传感器的制备方法，至少包括I)提供一 SOI 衬底；2)在所述SOI衬底顶层硅上沉积一层电绝缘介质层，通过对该电绝缘介质层进行图案化处理和刻蚀工艺以分别保留预制备谐振振子区域、预制备测试焊盘区域、预制备支撑梁区域、以及预制备锚点区域的电绝缘介质层；3)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一或多层金属线圈，并在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘；4)通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，然后利用氢氟酸腐蚀掉对应所述谐振振子区域下方的所述SOI衬底埋氧层以释放器件结构形成谐振振子。可选地，在步骤I)中所述SOI衬底的埋氧层与顶层硅之间预开设一对应所述谐振振子区域的腔体时，所述步骤4)包括通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，同时释放器件结构以形成谐振振子。可选地，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括在所述SOI衬底顶层硅上和对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。可选地，所述金属线圈为围绕所述电绝缘介质层周缘一周的圆形或方形线圈，且所述线圈的始、末两端通过所述支撑梁连接到所述两个测试焊盘。可选地，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括3-1)在所述顶层硅和对应所述谐振振子区域内的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域内形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘；3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端；3-3)沉积第二层金属薄膜，并对其进行光刻及刻蚀以形成金属引线，且所述金属引线的始端与所述第一层金属线圈始端相连接，其末端通过支撑梁连接到测试焊盘。可选地，所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘，所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状；进一步可选地，所述金属引线为直线、曲线、或折线。可选地，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上多层金属线圈时，所述步骤3)还包括3-1)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域内形成金属线圈；3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端；顺序重复执行步骤3-1)、及3-2)的工艺，制备出多层金属线圈的串联；且在制备最后一层所述金属线圈时，通过光刻及刻蚀工艺分别在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。可选地，所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘，所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。进一步可选地，所属多层金属线圈的串联方式为连续的第奇数个和第偶数个所述金属线圈通过始端相连，连续的第偶数个和第奇数个所述金属线圈通过末端相连，且各该金属线圈具有相同的绕向和形状。可选地，所述支撑梁的一端连接所述谐振振子，另一端连接所述锚点，以固定所述谐振振子；所述测试焊盘位于具有所述电绝缘介质层的锚点上；所述金属焊盘位于不具有所述电绝缘介质层的锚点上。可选地，所述金属线圈或金属引线的材质为金或铝；所述多层金属线圈之间除连接处外具有电绝缘介质层。本发明的另一目的是提供一种微机械磁场传感器，其特征在于，至少包括SOI衬底，具有一深度直至其埋氧层的凹槽；至少一锚点，位于所述凹槽的边侧；谐振振子，由所述SOI衬底的顶层硅形成，且悬空于所述凹槽中；支撑梁，其一端连接所述谐振振子，另一端连接所述锚点，以支撑所述谐振振子悬空于所述凹槽中；金属线圈，形成于所述谐振振子上；二测试焊盘，形成于所述锚点上，分别连接所述金属线圈的始、末两端，且各该测试焊盘相互绝缘；多个金属焊盘，形成于部分所述锚点上，用于给所述谐振振子施加一固定电位；驱动电极，位于所述谐振振子周缘外侧的顶层硅上，用于驱动所述谐振振子振动。可选地，所述金属线圈与所述谐振振子之间具有绝缘介质层；所述金属线圈的材质为金或铝；所述金属线圈为围绕所述谐振振子周缘一周的圆形或方形金属线圈，且所述金属线圈的始、末端通过所述支撑梁分别连接两个所述测试焊盘。可选地，所述金属线圈为藉由所述谐振振子中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其始、末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘，所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。可选地，所述金属线圈籍由多个所述螺旋金属线圈相互串联组成，且各该螺旋金属线圈具有相同的绕向，所述螺旋金属线圈串联的方式为连续的第奇数个和第偶数个所述螺旋金属线圈的始端相连、以及连续的第偶数个和第奇数个所述螺旋金属线圈的末端相连，且各该相互串联的螺旋金属线圈之间除了相连处外具有电绝缘介质层。可选地，所述凹槽为方形槽、圆形槽、或环形槽，对应该凹槽的形状，所述谐振振子为方形结构、圆形结构、或环形结构。如上所述，本发明的一种微机械磁场传感器及其制备方法，具有以下有益效果本发明提出的微机械磁场传感器利用静电驱动激励谐振振子进入谐振状态，金属线圈位于谐振振子之上，当传感器位于磁场中时，谐振振子振动时会带动金属线圈运动，金属线圈切割磁感线，在线圈两端产生感应电动势；同时，本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互叠加，增强了输出信号的强度。
本发明所述的微机械磁场传感器利用静电驱动器件工作，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗，通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，驱动-检测电路简单且受温度影响小；在制备工艺上，不需要在器件上生长或者沉积磁性材料，降低了工艺的复杂度；同时本发明制备的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的准确度。


图Ia-Ii显示为本发明中制备具有方形金属线圈的谐振振子工艺图，其中图Id为沿图Ic的AB方向的截面图，图Ig为沿图If的CD方向的截面图。图2a_2b显示为本发明中制备在一预设腔体的SOI衬底上的具有方形金属线圈的谐振振子工艺图。 图3a_3k显示为制备具有螺旋状金属线圈的谐振振子工艺图，其中图3d为沿图3c的AB方面的截面图，图3i为沿图3h的CD方向的截面图，图3j为沿图3h的AB方向的截面图。
图31显示为图3k的截面图。图4a_4b显示为本发明中制备在一预设腔体的SOI衬底上的具有螺旋金属线圈的谐振振子工艺图。图5显示为本发明中制备的具有两层螺旋状金属线圈的谐振振子截面图。图6a_6b显示为本发明中制备在一预设腔体的SOI衬底上的具有两层螺旋状金属线圈的谐振振子截面图。图7a_7c显示为本发明中制备的具有方形金属线圈的谐振振子平面图及两种方形凹槽的截面图。图8显示为本发明中制备的具有螺旋状金属线圈的谐振振子平面图。图9显示为本发明中制备的具有两层螺旋状金属线圈的谐振振子截面图。元件标号说明ISOI 衬底10衬底硅11埋氧层
12顶层硅2腔体3电绝缘介质层30皆振振子区域31测试焊盘区域310测试焊盘311金属焊盘32支撑梁区域320支撑梁·33锚点区域330锚点4金属薄膜40金属线圈400始端401末端41金属引线5电极焊盘50驱动电极6皆振振子7凹槽
具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图Ia至图li、图2a至图2b、图3a至图3k、图4a至图4b、图5、图6a至图6b、图7a至7c、以及图8至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。下面结合说明书附图进一步说明本发明提供的一种微机械磁场传感器及其制备方法，为了示出的方便附图并未按照比例绘制，特此述明。实施例一如图Ia至图Ii所示，本发明提供一种微机械磁场传感器的制备方法，包括以下步骤步骤一如图Ia所示，提供一 SOI衬底1，包括衬底硅10、埋氧层11、以及顶层硅12。步骤二 如图Ib至图Id所示，在所述SOI衬底I顶层硅上12热生长或LPCVD沉积一层电绝缘介质层3，通过对该电绝缘介质层3进行图案化处理和刻蚀工艺以保留对应所述谐振振子区域30、预制备测试焊盘区域31、预制备支撑梁区域32、以及预制备锚点区域33的电绝缘介质层3，其中图Ic为该步骤中形成的工艺平面图，图Id为沿图Ic的AB方向的截面图。具体地，所述支撑梁区域32的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个，其中保留所述电绝缘介质层3的所述支撑梁区32的个数分别为I 2个，本实施例中优选为2个；对应锚点区域33的个数也分别为I 4个，本实施例中优选为4个。具体地，所述测试焊盘区域31有两个，且各该测试焊盘区域31可以分别位于两个具有电绝缘介质层3的所述锚点区域33上，也可以位于同一个具有电绝缘电介质层3的所述锚点区域33上，本实施例中优选为所述测试焊盘区域31位于两个相邻的所述锚点区域33 ;所述支撑梁区32—端与所述谐振振子区域30相接，另一端与所述锚点区域33相接；对应于所述具有电绝缘电介质层3的所述锚点区域33，所述支撑梁区域32上也具有电绝缘介质层3。步骤三如图Ie至图Ig所示，在所述SOI衬底I顶层硅12上和对应所述谐振振子区域30的电绝缘介质层3上利用溅射或蒸发工艺制备一层金属薄膜4，所述金属薄膜4的材料可以为铝或者金，但并不限于此，然后通过对该金属薄膜4进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域30的电绝缘介质层3上形成金属线圈40，所述金属线圈40为围绕所述谐振振子区域30的电绝缘介质层3周缘一周的圆形或方形金属线圈40，本实施例中优选为方形金属线圈40 ;然后在对应具有所述电绝缘介质层3的所述测试焊盘区域31、在不具有所述电绝缘介质层3的锚点区域、以及所述谐振振子区域30周缘外侧的顶层硅12上分别形成测试焊盘310、金属焊盘311、以及电极焊盘5，其中图If为该步骤中形成的工艺平面图，图Ig为沿图If的CD方向的截面图。步骤四如图Ih至图Ii所示，通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅12，在对应所述电极焊盘5、支撑梁区域32、以及锚点区域33分别形成驱动电极50、支撑梁320、以及锚点330，然后利用氢氟酸腐蚀掉对应所述谐振振子区域30下方的所述SOI衬底埋氧层11以释放器件结构形成谐振振子6。所述驱动电极50用来驱动所述谐振振子6振动；所述支撑梁320的一端连接谐振振子6，另一端固定在所述锚点330，以使所述谐振振子6悬空固定于所述衬底硅10上方；所述谐振振子6的形状分别为方形、圆形、或环形，本实施例中优选为方形。具体地，所述金属线圈4位于所述谐振振子6上，且与所述谐振振子6之间具有电绝缘介质层3，所述金属线圈4周缘位于靠近所述谐振振子6的边缘，以使谐振振子6振动时获得较大的振幅。所述金属线圈4的两端通过具有电绝缘介质层3的所述支撑梁320连接到两个所述测试焊盘310，且两个测试焊盘310可以同时位于一个所述锚点330或分别位于两个所述锚点330，本实施例中，优选为两个测试焊盘310分别位于相邻两个所述锚点330上，所述金属焊盘311位于其它两个锚点330上，以用于向所述谐振振子6施加一固定电位。
具体地，对应所述支撑梁区32的个数，该支撑梁320的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个；对应所述锚点区域33的个数，该锚点330的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个；对应该电极焊盘5的个数，所述驱动电极50的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个。用本实施例的方法制备的微机械传感器工作在扩张模态时，谐振振子上每一点都随着时间同时扩张或者收缩。对于这些体模态谐振器，其谐振频率比较高，因此谐振振子上每一点位移随时间变化的比较快。若在此谐振器的谐振振子上面制作金属线圈，那么当方形板谐振器或者圆形板谐振器工作在扩张模态时，金属线圈会随着谐振振子运动。当该器件处在磁场中时，金属线圈就会切割磁场线，从而在线圈两端产生感应电动势。通过检测金属线圈两端感应电动势的大小，就可以计算出磁场强度的大小。由于本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互叠加，增强了输出信号的强度。此外，本发明所述的微机械磁场传感器利用静电驱动器件工作，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗，通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小， 驱动-检测电路简单且受温度影响小；在制备工艺上，不需要在器件上生长或者沉积磁性材料，降低了工艺的复杂度；更进一步地，本发明制备的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的准确度。实施例二如图2a所示，提供一 SOI衬底，在所述SOI衬底I的顶层硅12与埋氧层11之间预开设一腔体2，所述腔体2的形成工艺为本领域技术人员所熟知的常规工艺首先在衬底硅10上进行图形化光刻，然后依据光刻图形刻蚀出深至埋氧层的凹槽(图中未示出)，所述凹槽为方形槽、圆形槽、或环形槽，本实施例中优选为方形凹槽。然后在所述凹槽底部及周缘侧壁上热生长一层氧化硅作为埋氧层11，最后在具有所述凹槽一侧上键合一层硅作为顶层硅12，所述顶层硅12与所述埋氧层11之间的空腔即为所述的腔体2。在所述预设一腔体2的SOI衬底I上制备器件的工艺与实施例一的主要区别在于本实施例中在制作完器件结构的同时，也将谐振振子6结构进行了释放，此时所述谐振振子6悬空于埋氧层11上方；而实施例一在制作完器件结构后，所述谐振振子6结构并没有被释放，因此需要利用HF腐蚀掉所述谐振振子区域30下方SOI衬底I埋层氧化硅11的方法，将谐振振子6结构释放，其它工艺步骤与实施例四中相应步骤相同。本实施例最终器件结构如图2b所示，其它工艺结构图与实施例一类同，在此不再赘述。实施例三如图所示，本发明提供一种微机械磁场传感器的制备方法，包括以下步骤步骤一如图3a所示，提供一 SOI衬底1，包括衬底硅10、埋氧层11、以及顶层硅12。步骤二 如图3b至图3d所示，在所述SOI衬底I顶层硅上12热生长或LPCVD沉积一层电绝缘介质层3，通过对该电绝缘介质层3进行图案化处理和刻蚀工艺以保留对应所述预制备谐振振子区域30、预制备测试焊盘区域31、预制备支撑梁区域32、以及预制备锚点区域33的电绝缘介质层3，其中图3c为本步骤中所形成的工艺结构平面图，图3d为沿图3c的AB方面的截面图。具体地，所述支撑梁区域32的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个，其中保留所述电绝缘介质层3的所述支撑梁区32分别为I 2个，本实施例中优选为2个；对应锚点区域33也分别为I 4个，本实施例中优选为4个。
具体地，所述测试焊盘区域31有两个，且各该测试焊盘区域31可以分别位于两个具有电绝缘介质层3的所述锚点区域33上，也可以位于同一个具有电绝缘电介质层3的所述锚点区域33上，本实施例中优选为所述测试焊盘区域31位于所述谐振振子区域30两个对角的所述锚点区域33 ;所述支撑梁区32 —端与所述谐振振子区域30相接，另一端与所述锚点区域33相接；对应于所述具有电绝缘电介质层3的所述锚点区域33，所述支撑梁区域32上也具有电绝缘介质层3。步骤三如图3e至图3f所示，在所述SOI衬底I顶层硅12上和对应所述谐振振子区域30的电绝缘介质层3上溅射或蒸发工艺制备一层金属薄膜4，该层金属薄膜4的材质为金或铝，但并不限于这两种材质，然后通过对该金属薄膜4进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域30内的电绝缘介质层3上形成金属线圈40，所述金属线圈40为藉由其对应的所述电绝缘介质层3中心为始端400由内向外环绕的螺旋金属线圈40，所述螺旋金属线圈40为圆形螺旋状或方形螺旋状，本实施例中优选为方形螺旋状；然后在对应 具有所述电绝缘介质层3的所述测试焊盘区域31、在不具有所述电绝缘介质层3的锚点区域33、以及在所述谐振振子区域30周缘外侧的顶层硅12上分别形成测试焊盘310、金属焊盘311、以及电极焊盘5 ;具体地，所述电极焊盘5的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个；测试焊盘310的个数为2个；所述金属焊盘311位于不具有所述测试焊盘310的其他锚点区域33上，以用来向所述谐振振子施加一固定电位。步骤四如图3g所示，利用LPCVD再次沉积一层电绝缘介质层3，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈40的始400、末401两端；步骤五如图3h至图3j所示，沉积第二层金属薄膜4，该层金属薄膜4的材质为金或铝，并对其进行光刻及刻蚀以形成金属引线41，且所述金属引线41的一端与所述第一层金属线圈40的始端400相连接，其另一端通过支撑梁区域32连接到测试焊盘310，其中，图3h为本步骤中所形成的工艺结构平面图(图中的金属线圈40除了始400、末端401外都被电绝缘介质层3所覆盖，为方便示图，未画出金属线圈40上的电绝缘介质层3)，图3i为沿图3h的CD方向的截面图，图3j为沿图3h的AB方向的截面图。具体地，所述金属引线41为直线、曲线、或折线，本实施例中优选为直线，用于将所述金属线圈40的始端400引出。步骤六如图3k至图31所示，通过在所述顶层硅12上进行光刻和深反应离子刻蚀工艺，对应所述电极焊盘5、支撑梁区32、以及锚点区域33分别形成驱动电极50、支撑梁320、以及锚点330，利用HF腐蚀掉所述谐振振子区域30下方SOI衬底I埋层氧化硅11的方法，将谐振振子6结构释放。所述驱动电极50用来驱动所述谐振振子6振动，所述支撑梁320的一端连接谐振振子6，另一端固定在所述锚点330，以使所述谐振振子6悬空固定于衬底硅10上方。其中，图3k为形成最终的所述谐振振子6结构的平面示意图(图中的金属线圈40除了始400、末端401外都被电绝缘介质层3所覆盖，为方便示图，未画出金属线圈40上的电绝缘介质层3)，图31为图3k的截面图。所述方形螺旋状金属线圈40位于所述谐振振子6上，且与所述谐振振子6之间具有电绝缘介质层3，用来实现谐振振子6与金属线圈40之间的电学隔离，且分布于所述谐振振子6的整个平面，以使谐振振子6振动时获得较大的振幅。。
本发明中对应该支撑梁区32的所述支撑梁320的个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个，对应该锚点区域33的所述锚点330个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个，对应该电极焊盘5的所述驱动电极50个数分别为I 4个，本实施例中优选为4个。用本实施例的方法制备的微机械传感器中，金属线圈的采用螺旋状的的结构，增强线圈切割磁感线所产生的感应电动势的大小，同时，本发明制备的器件工作在扩张模态时，谐振振子上每一点都随着时间同时扩张或者收缩。对于这些体模态谐振器，其谐振频率比较高，因此谐振振子上每一点位移随时间变化的比较快。若在此谐振器的谐振振子上面制作金属线圈，那么当方形板谐振器或者圆形板谐振器工作在扩张模态时，金属线圈会随着谐振振子运动。当该器件处在磁场中时，金属线圈就会切割磁感线，从而在线圈两端产生感应电动势，通过检测金属线圈两端感应电动势的大小，就可以计算出磁场强度的大小。由于本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互叠加，增强了输出信号的强度。 此外，本发明所述的微机械磁场传感器利用静电驱动器件工作，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗，通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，驱动-检测电路简单且受温度影响小；在制备工艺上，不需要在器件上生长或者沉积磁性材料，降低了工艺的复杂度；更进一步地，本发明制备的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的准确度。实施例四如图4a所示，提供一 SOI衬底I，在所述SOI衬底I的顶层硅12与埋氧层11之间预开设一腔体2，所述腔体2的形成工艺为本领域技术人员所熟知的常规工艺首先在衬底硅10上进行图形化光刻，然后依据光刻图形刻蚀出深至埋氧层11的凹槽(图中未示出)，所述凹槽为方形槽、圆形槽、或环形槽，本实施例中优选为方形凹槽。然后在所述凹槽底部及周缘侧壁上热生长一层氧化硅作为埋氧层11，最后在具有所述凹槽一侧上键合一层硅作为顶层硅12，所述顶层硅12与所述埋氧层11之间的空腔即为所述的腔体2。在所述预设一腔体2的SOI衬底I上制备器件的工艺与实施例三的主要区别在于本实施例中在制作完器件结构的同时，也将器件结构进行了释放，而实施例一在制作完器件结构后，谐振振子6结构并没有被释放。因此，需要利用HF腐蚀掉所述谐振振子区域30下方SOI衬底埋层氧化硅11的方法，将器件结构释放，其它工艺步骤与实施例四中相应步骤相同。本实施例最终器件结构如图4b所示。实施例五本发明还提供一种微机械磁场传感器的制备方法，根据所述的实施例一中的制备工艺，只需要将其所述步骤3)改为以下步骤就可以制备出多层串联的金属线圈40:3-1)在对应所述谐振振子区域30的电绝缘介质层3上制备金属薄膜4，通过对该金属薄膜4进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域30内形成金属线圈40 ；3-2)再次沉积一层电绝缘介质层3，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈40的始、末两端(400、401)；顺序重复执行步骤3-1)、及3-2)的工艺，制备出多层金属线圈40的串联；且在制备最后一层所述金属线圈40时，通过光刻及刻蚀工艺在所述测试焊盘区域31形成测试焊盘310、在不具有所述电绝缘介质层3的锚点区域33形成金属焊盘311、以及在所述谐振振子区域30周缘外侧的顶层硅12上形成电极焊盘5。具体地，所述金属线圈40的始端400位于所述谐振振子6的中心，且所述金属线圈40为以该始端400为中心由内向外环绕形成螺旋金属线圈40，且该金属线圈40在垂直方向上由具有相同绕向的多层螺旋金属线圈40相互串联组成，各该螺旋状金属线圈40串联方式为通过将连续的第奇数层和第偶数层该螺旋金属线圈40的始端400相连、以及连续的第偶数层和第奇数层该螺旋金属线圈的末端401相连组成一个串联的多层金属线圈40，所述螺旋状金属线圈40为圆形螺旋状或方形螺旋状,本实施例中优选为方形螺旋状,进一步具体地，所述多层金属线圈可以为2层、或3层、或多层，本实施例中优选为2层。其它工艺步骤与实施例一相同，本实施例中不在赘述。本实施例最终器件结构如图5所示。实施例六如图6a所示，提供一 SOI衬底I，在所述SOI衬底I的顶层硅12与埋氧层11之间预开设一腔体2，所述腔体2的形成工艺为本领域技术人员所熟知的常规工艺首先在衬底硅10上进行图形化光刻，然后依据光刻图形刻蚀出深至埋氧层11的凹槽(图中未示出)，所述凹槽为方形槽、圆形槽、或环形槽，本实施例中优选为方形凹槽。然后在所述凹槽底部及周缘侧壁上热生长一层氧化硅作为埋氧层11，最后在具有所述凹槽一侧上键合一层硅作为顶层硅12，所述顶层硅12与所述埋氧层11之间的空腔即为所述的腔体2。在所述预设一腔体2的SOI衬底I上制备器件的工艺与实施例三的主要区别在于本实施例中在制作完器件结构的同时，也将器件结构进行了释放，而实施例一在制作完器件结构后，谐振振子6结构并没有被释放。因此，需要利用HF腐蚀掉所述谐振振子区域30下方SOI衬底埋层氧化硅11的方法，将器件结构释放，其它工艺步骤与实施例四中相应步骤相同。本实施例最终器件结构如图6b所示。实施例七如图7所示，本发明还提供一种微机械磁场传感器，包括SOI衬底I具有一深度直至其埋氧层11的凹槽7，根据所述凹槽7的开口分为为方形槽、圆形槽、或环形槽，本实施例中优选方形凹槽，所述方形凹槽又具有两种形式，一种形如图7b所示,一种图7c所示。谐振振子6由所述SOI衬底I的顶层硅12形成，且悬空于所述凹槽7中，对应于所述凹槽7形状所述谐振振子6的形状分别为方形、圆形、或环形，本实施例中优选为方形；至少一锚点330，位于所述凹槽7的一边角，本发明中，固定所述谐振振子6的锚点330可以为均匀排布在所述谐振振子6四个角的四锚点330结构、或位于所述谐振振子6对角位置的两锚点330结构、或位于所述谐振振子6相邻两角位置的两锚点330结构，本实施例中优选为四锚点330结构。支撑梁320 —端连接所述谐振振子6，另一端连接所述锚点330，以支撑所述谐振 振子悬空于所述凹槽7中，本发明中所述支撑梁320对应所述锚点330可以均匀排布在所述谐振振子6的四个角的四支撑梁320结构、或位于所述谐振振子6对角位置的两支撑梁320结构、或位于所述谐振振子6相邻两角位置的两支撑梁320结构，本实施例中优选为四支撑梁320结构；
两个测试焊盘310形成于所述锚点330上，且各该测试焊盘310相互绝缘，具体地，所述两个测试焊盘310可以位于同一个所述锚点330、或分别位于两个所述锚点330，本实施例中优选为分别位于两个所述锚点330 ;多个金属焊盘311，位于不具有所述测试焊盘的锚点上，用于向所述谐振振子施加一固定电位，本实施例中另外两个锚点上分别具有一金属焊盘311。金属线圈40形成于所述谐振振子6上，具体地，所述金属线圈40为围绕所述谐振振子6周缘一周的圆形或方形金属线圈40，且所述金属线圈40的两端通过一个、或两个所述支撑梁320分别连接两个所述测试焊盘310，本实施例中所述金属线圈40的两端通过两个所述支撑梁320分别连接两个所述测试焊盘310，更具体地，所述金属线圈40的材质为金或招。
驱动电极50，位于所述谐振振子6周缘外侧的顶层硅12上，用于驱动所述谐振振子6振动,具体地,所述驱动电极50的个数I 4个,本实施例中优选为4个。实施例八如图8所示，本发明还提供一种微机械磁场传感器，该微结构磁场传感器除了金属线圈40的结构与实施例七不同，其它部件都相同，不在赘述。因此，本实施例中只给出所述微结构磁场传感器金属线圈40的结构如下金属线圈40，形成于所述谐振振子6上，具体地，所述金属线圈40的始端位于所述谐振振子6中心，且该金属线圈6以该始端400为中心由内向外环绕形成有圆形螺旋状或方形螺旋状金属线圈40，本实施例中优选为方形螺旋状金属线圈40。实施例九如图9所示，本发明还提供一种微机械磁场传感器，该微结构磁场传感器除了金属线圈40的结构与实施例七不同，其它部件都相同，不在赘述。因此，本实施例中只给出所述微结构磁场传感器金属线圈40的结构如下金属线圈40，形成于所述谐振振子6上，所述金属线圈40的始端位400于所述谐振振子6中心，且该金属线圈6以该始端400为中心由内向外环绕形成有圆形螺旋状或方形螺旋状金属线圈40;具体地，所述金属线圈40在垂直方向上由具有相同绕向的多层螺旋金属线圈40相互串联组成，各该螺旋状金属线圈40串联方式为通过将连续的第奇数层和第偶数层该螺旋金属线圈40的始端400相连、以及连续的第偶数层和第奇数层该螺旋金属线圈40的末端401相连组成一个串联的多层金属线圈40,且各该相互串联的螺旋金属线圈40之间除了相连处外具有电绝缘介质层3。具体地，所述螺旋状金属线圈40为圆形螺旋状或方形螺旋状，本实施例中优选为方形螺旋状，进一步具体地，所述多层金属线圈40可以为2层、或3层、或更多层，本实施例中优选为2层。多层的螺旋状线圈40，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的准确度。综上所述，本发明提出的微机械磁场传感器利用静电驱动激励谐振振子进入谐振状态，金属线圈位于谐振振子之上，当传感器位于磁场中时，谐振振子振动时会带动金属线圈运动，金属线圈切割磁感线，在线圈两端产生感应电动势；同时，本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互叠加，增强了输出信号的强度。此外，本发明所述的微机械磁场传感器利用静电驱动器件工作，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗，通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，驱动-检测电路简单且受温度影响小；在制备工艺上，不需要在器件上生长或者沉积磁性材料，降低了工艺的复杂度；同时本发明制备的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的准确度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，至少包括 .1)提供一SOI衬底； .2)在所述SOI衬底顶层硅上沉积一层电绝缘介质层，通过对该电绝缘介质层进行图案化处理和刻蚀工艺以分别保留预制备谐振振子区域、预制备测试焊盘区域、预制备支撑梁区域、以及预制备锚点区域的电绝缘介质层； .3)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一或多层金属线圈，并在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘； .4)通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，然后利用氢氟酸腐蚀掉对应所述谐振振子区域下方的所述SOI衬底埋氧层以释放器件结构形成谐振振子。
2.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在步骤I)中所述SOI衬底的埋氧层与顶层硅之间预开设一对应所述谐振振子区域的腔体时，所述步骤4)包括 通过光刻和深反应离子刻蚀工艺去除部分顶层硅，在对应所述电极焊盘、支撑梁区域、以及锚点区域分别形成驱动电极、支撑梁、以及锚点，同时释放器件结构以形成谐振振子。
3.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括 在所述SOI衬底顶层硅上和对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。
4.根据权利要求3所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属线圈为围绕所述电绝缘介质层周缘一周的圆形或方形线圈，且所述线圈的始、末两端通过所述支撑梁连接到所述两个测试焊盘。
5.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备一层金属线圈时，所述步骤3)还包括 .3-1)在所述顶层硅和对应所述谐振振子区域内的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以分别在所述谐振振子区域内形成金属线圈、在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘； . 3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端； .3-3)沉积第二层金属薄膜，并对其进行光刻及刻蚀以形成金属引线，且所述金属引线的始端与所述第一层金属线圈始端相连接，其末端通过支撑梁连接到测试焊盘。
6.根据权利要求5所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘。
7.根据权利要求6所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。
8.根据权利要求5所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属引线为直线、曲线、或折线，且所述金属弓I线的材质为金或铝。
9.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于，在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上多层金属线圈时，所述步骤3)还包括 3-1)在对应所述谐振振子区域的电绝缘介质层上制备金属薄膜，通过对该金属薄膜进行图案化处理及刻蚀工艺以在所述谐振振子区域内形成金属线圈； 3-2)再次沉积一层电绝缘介质层，并对其进行光刻及刻蚀以暴露出所述金属线圈的始末两端； 顺序重复执行步骤3-1)、及3-2)的工艺，制备出多层金属线圈的串联；且在制备最后一层所述金属线圈时，通过光刻及刻蚀工艺分别在所述测试焊盘区域形成测试焊盘、在部分所述锚点区域形成金属焊盘、以及在所述谐振振子区域周缘外侧的顶层硅上形成电极焊盘。
10.根据权利要求9所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属线圈为藉由其对应的所述电绝缘介质层中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘。
11.根据权利要求10所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。
12.根据权利要求9所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所属多层金属线圈的串联方式为连续的第奇数个和第偶数个所述金属线圈通过始端相连，连续的第偶数个和第奇数个所述金属线圈通过末端相连，且各该金属线圈具有相同的绕向和形状。
13.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述支撑梁的一端连接所述谐振振子，另一端连接所述锚点，以固定所述谐振振子。
14.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述测试焊盘位于具有所述电绝缘介质层的锚点上，所述金属焊盘位于不具有所述电绝缘介质层的锚点上。
15.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述金属线圈的材质为金或铝。
16.根据权利要求I或2所述的微机械磁场传感器的制备方法，其特征在于所述多层金属线圈之间除连接处外具有电绝缘介质层。
17.—种微机械磁场传感器,其特征在于,至少包括 SOI衬底，具有一深度直至其埋氧层的凹槽； 至少一锚点，位于所述凹槽的边侧； 谐振振子，由所述SOI衬底的顶层硅形成，且悬空于所述凹槽中； 支撑梁，其一端连接所述谐振振子，另一端连接所述锚点，以支撑所述谐振振子 悬空于所述凹槽中； 金属线圈，形成于所述谐振振子上； 二测试焊盘，形成于所述锚点上，分别连接所述金属线圈的始、末两端，且各该测试焊盘相互绝缘；多个金属焊盘，形成于部分所述锚点上，用于给所述谐振振子施加一固定电位； 驱动电极，位于所述谐振振子周缘外侧的顶层硅上，用于驱动所述谐振振子振动。
18.根据权利要求17所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈与所述谐振振子之间具有绝缘介质层。
19.根据权利要求17所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈的材质为金或招。
20.根据权利要求17所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈为围绕所述谐振振子周缘一周的圆形或方形金属线圈，且所述金属线圈的始、末端通过所述支撑梁分别连接两个所述测试焊盘。
21.根据权利要求17所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈为藉由所述谐振振子中心为始端由内向外环绕的螺旋金属线圈，其始、末端通过所述支撑梁连接到所述测试焊盘。
22.根据权利要求21所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述螺旋金属线圈为圆形螺旋状或方形螺旋状。
23.根据权利要求21所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈籍由多个所述螺旋金属线圈相互串联组成，且各该螺旋金属线圈具有相同的绕向。
24.根据权利要求23所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述螺旋金属线圈串联的方式为连续的第奇数个和第偶数个所述螺旋金属线圈的始端相连、以及连续的第偶数个和第奇数个所述螺旋金属线圈的末端相连，且各该相互串联的螺旋金属线圈之间除了相连处外具有电绝缘介质层。
25.根据权利要求17所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述凹槽为方形槽、圆形槽、或环形槽，对应该凹槽的形状，所述谐振振子为方形结构、圆形结构、或环形结构。
全文摘要
本发明提供一种微机械磁场传感器及其制备方法，属于微机电系统领域。该方法通过在器件结构层上制作出金属线圈及焊盘，然后利用干法刻蚀制作出器件结构，并将器件结构进行释放以形成谐振振子。本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互叠加，增强了输出信号的强度。此外，本发明所述的微机械磁场传感器具有低功耗、驱动-检测电路简单、受温度影响小、以及工艺简单等优点，具有高度的产业价值。
文档编号G01R33/02GK102680917SQ201210134030
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者吴国强, 徐德辉, 熊斌, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所