基于洛伦兹力的MEMS磁传感器设计及制作

　　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;而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》)

　　1、MEMS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MEMSCAP、CoventorWare、IntelliSuite和Sandia 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倍(从0.9 μV·nT^(-1)到 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n型SOI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2个Si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(从1140到16900) 。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。

　　图2 压阻式MEMS磁传感器主元件的SEM和电连接

　　A. L. Herrera-May等制备了具有简单谐振器和线性电响应的MEMS磁传感器。它由穿孔板(472μm x 300 μm x 15 μm) 、4 个弯曲梁(18 μm x 15 μm x 15 μm) 、2 个支撑梁(60 μm x 36 μm x 15 μm)和4个p型压敏电阻构成的惠斯登电桥形成，见图3。在SOI衬底上采用标准的体微加工工艺制造器件，通过调整激励电流控制器件的动态范围使其保持线性电响应，获得器件品质因子为419. 6、灵敏度为230 mV·T、分辨率为2. 5 μT，功耗为12 mW。该传感器适合应用于非破坏性的磁性测试及铁磁材料缺陷和腐蚀的检测。

　　图3 MEMS磁传感器主要部分的顶视图和4个压敏电阻组成的惠斯登电桥

　　Langfelder等制备了具有电容读出的MEMS磁场传感器，该传感器可检测与谐振结构表面垂直方向(z轴) 的磁场。它由一组固定定子和两根细梁悬挂的梭子组成，形成2个差分平行板敏感电容器C1和C2，见图4。具有传感器共振频率的梁，在通有电流时与磁场相互作用，从而使2个细梁受到洛伦兹力作用。这个力垂直于磁场和交流电流所构成的平面，导致梁和平行板产生位移，该位移可以通过差分电容的变化来检测。传感器在峰值驱动电流为250 μA时的总灵敏度为150 μV·μT^(-1)、理论噪声为557. 2 μV·Hz^(-1/2)、分辨率为520 nT·mA^(-1)·Hz^(-1/2)、品质因子约328、共振频率为28.3 kHz。

　　图4 由平行板、固定定子和2根细梁支撑的梭子形成的MEMS磁场传感器的示意图

　　M. Li等设计了由弯曲梁谐振器(1200 μm x 680 μm x 40 μm)组成的磁场传感器。弯曲梁谐振器与载有电流的Si梁通过微杠杆机制耦合，谐振器借助弯曲梁的每一侧的30个叉指电极实现静电驱动和电容感应，获得传感器的灵敏度为6687 ppm·mA^(-1)·T^(-1)、品质因子为540、谐振频率为21.9 kHz (1 ppm = 10^(-6)) 。

　　Aditi等通过采用SOI和玻璃片的阳极键合技术制备了MEMS磁场传感器。该器件制作工艺具有以下优点：低温(≤400 ℃) 、可靠、可重复、少的光刻步骤及可控电极间距离的能力。获得传感器功耗为0.45 mW，分辨率为215 nT·Hz^(-1/2)。

　　B. Park等设计了由硅谐振器和紧凑型激光定位系统构成的磁场传感器，如图5所示。该系统具有光电探测器和激光二极管，用于监测电流偏置的反射镜角位移。谐振器由涂覆有铝层(2500 μm x 2500 μm x 0.8 μm)的硅膜(3000 μm x 3000 μm x 12 μm)组成，膜由两根扭转弹簧(2100 μm x 100 μm x 12 μm)支撑，宽度为30 μm、厚度为0. 8 μm的铝线沉积在其上。施加的磁场与反向镜的位移有关，当线圈偏置电流为50 mA时，获得传感器的灵敏度为62 mV·μT^(-1)、共振频率为364 Hz、品质因子为116、53 mHz带宽的分辨率为0.4 nT、本底噪声为1.78 nT·Hz^(-1/2)。

　　图5 具有光读出的MEMS磁场传感器和传感器工作原理图

　　M. Lara-Castro等提出在印刷电路板上实现的MEMS磁场传感器的便携式信号调制系统，它配有能够谐磁场传感器的2个正弦信号发生器。磁场传感器由共振硅结构(600 μm x 700 μm x 5 μm) 、1个铝环(1 μm厚)和4个p型压敏电阻组成的惠斯登电桥构成。2个信号发生器的频率稳定度为±100 ppm，分辨率为1 Hz。该系统中，磁场与电压有近似线性关系;大气压下灵敏度和分辨率分别为0.32 V/T和35 nT。

　　龙亮等采用MEMS磁扭摆和检测差分电容构成了MEMS磁传感器。磁扭摆是通过在双端固定梁的硅薄膜上制作CoNiMnP永磁薄膜获得，磁传感器尺寸为3.7 mm x 2.7 mm x 0.5 mm，制备的MEMS磁传感器具有良好的线性，灵敏度为27.7 fF/mT，最小可分辨磁场大小为36 nT。

　　3、展望

　　目前基于Lorentz力的MEMS谐振式磁传感器主要通过压阻、光学和电容感测技术来检测磁场。这些技术可为设计人员提供研制特定应用场合的最佳传感器方法，例如，压阻感测适于采用体微加工工艺实现和简单的信号处理系统。但压阻感应存在电压偏移，且电阻易受温度影响，因此系统中需要提供温度补偿电路。电容感测主要通过表面微加工工艺实现，并将所施加的磁场转换为电输出信号。该技术具有很小的温度依赖性，并允许电子电路与磁传感器制作在同一芯片上。通常，电容感应的传感器在大气压下具有高的空气阻尼，为避免它的影响需要对器件进行真空封装才能提高其灵敏度。利用光学敏感技术制备的传感器由于具有抗电磁干扰的特性，因此系统中所需要电路比电容和压阻敏感技术的少，可在恶劣环境中工作，表面和体微加工工艺均适用于这种传感技术的优点。然而，这些感测技术都存在着由于焦耳效应而导致传感器结构发热的问题，这会产生热应力和谐振器的位移。为此，需要进一步对器件散热、谐振器机械可控性及真空封装研究，以确保获得更好的MEMS磁传感器性能。

　　随着微纳米技术的发展、微机械制造技术的成熟，越来越多的传感器开始向着集成化、智能化和网络化方向发展，它们已成为工业生产实现智能制造的重要动力。其智能应用主要在如下几方面：

　　(1) 传感技术。构建传感器网络系统，保证对信息进行搜集、整合与传输，使工业生产过程得到更有效的控制。

　　(2) 数控生产。总主线模式通过在线诊断，实现对整体工业生产线的仪表控制。

　　(3) 自动生产和机械。利用自动化技术开展机械生产，可显著提高生产效率和质量。

　　4、结束语

　　本文综述了通过体加工和表面加工方法、利用压阻、电容和光学技术制备的基于洛伦兹力的MEMS磁传感器，并介绍了各种结构磁传感器的灵敏度、品质因子、噪声和探测极限等特性。随着纳米技术、集成化技术以及封装技术的不断发展，更多高性能、同时可监测多个物理量的智能传感器会不断出现。