[发明专利]采用折合梁结构的MEMS磁场传感器的制备方法

说明书

本发明涉及采用折合梁结构的MEMS磁场传感器、制备工艺及用途，所述传感器包括衬底上加工的中央固定的金属T型折合梁。折合梁所形成的电极与衬底上的电极组成可变电容。本发明的原理为，T型折合梁结构上加工的金属线圈在通入电流后受到洛伦兹力使梁发生弯曲变形，从而改变两电极间距，实现电容值的改变。通过检测电容改变量即可测得磁场大小。该折合梁结构能够实现对可动极板的有效支撑，并提供相对传统结构较小的等效弹性系数，相比传统扭转梁结构，可降低传感器加工过程中的各种残余应力，提高传感器的灵敏度，降低其功耗。由于传感器的T型折合梁结构能够起到对应力的释放作用，从而增长其使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种扭转式高灵敏度MEMS磁场传感器的结构及制作方法，本发明属于MEMS传感器领域与微纳加工领域，具体为：采用折合梁结构的MEMS磁场传感器、制备工艺及用途。

背景技术

磁场传感器是众多传感器中的一种。磁场传感器在物理、机械和军事等领域发挥着重要的作用。将磁场传感器放置在磁场中，传感器能够鉴别出磁场的方向和强度。当和永磁铁组合在一起时，可以实现电流、速度、角度等变化量的非接触测量；磁场传感器可以用于工业生产中对制造过程实时的检测和控制；同时，在矿产资源开发和医疗电子等领域也有广泛应用。

MEMS磁场传感器，是MEMS技术出现以来，利用包含集成电路工艺在内的微纳加工技术设计并加工实现的新型磁场传感器。其特点是传感机理多样化、灵敏度大幅提升、功耗大幅降低、器件尺寸小型化、高精度批量制造，及与集成电路的单片集成。

国内外对于MEMS磁场传感器的研究和市场上成熟的磁场传感器产品主要有：基于洛伦兹力检测的U型梁磁场传感器、扭摆式磁场传感器、微型磁通门传感器等。基于洛伦兹力检测的U型梁磁场传感器是利用U型梁在洛伦兹力的作用下发生形变，产生电阻或电容的改变，完成磁场检测，但其磁场分辨率一般不够高，不适用于需要高灵敏度与分辨率的场合。扭摆式传感器两侧有锚区固定，中间为扭转平板，平板边缘镀有金属导线，导线中通有电流，在磁场中，受到洛伦兹力的驱动发生扭摆。但其转轴部分所受应力较大，存在易损坏、寿命短的问题。微型磁通门式传感器能够适用于较宽的弱磁场范围检测，具有较高的灵敏度，但其缺点是器件功耗与体积较大。

现有的以上几类MEMS磁场传感器所存在的低分辨率、短寿命、大功耗的问题限制了它们的应用范围，因此需要进一步发展高分辨率、长寿命、低功耗的传感器结构。特别是由于机械可动部件的存在，减小内部应力、提高器件的抗疲劳度、增加传感器使用寿命是优化传感器其他性能的前提和关键问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有磁场传感器所存在的制作工艺复杂、稳定性差、灵敏度低的缺陷，提供一种新的MEMS磁场传感器结构，以实现高分辨率、低功耗、高灵敏度、长寿命的磁场传感器。在本发明中，带有T型结构的折合梁能够有效地释放梁变形时所受到的应力，增长器件寿命。折合梁由于具有镂空结构，可提供较小的弹性系数，能够提高灵敏度。由于对称式T型梁的运动产生差分电容，有助于提高分辨率、减小测量误差。由于折合梁减小了梁的质量，有益于降低功耗。

本发明的第二目的是提出一种基于折合梁结构的MEMS磁场传感器制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用折合梁结构的MEMS磁场传感器，由折合梁结构与衬底组成；折合梁结构的材质为金属，且为T型；折合梁结构本身成为电极，衬底上设有电极；折合梁结构的电极与衬底上的电极形成可变电容；在折合梁结构的上表面设有绝缘层，绝缘层上设有金属线圈；金属线圈在通入电流后，在磁场中受到洛伦兹力使折合梁结构发生弯曲变形，从而改变折合梁结构与衬底间的电极间距，实现电容值的改变；折合梁结构两端的电容变化趋势相反，形成差分电容；由差分电容改变量反馈得到磁场大小。

进一步说，本MEMS磁场传感器由折合梁结构B与衬底S组成；

衬底S矩形块体；在衬底S顶面的中部设有凹槽；在衬底S的凹槽底面设有折合梁结构B；