基於洛倫茲力的MEMS磁感測器的研究進展

長春理工大學光電信息學院 張雲琦、張景波、邢春香、孫曉冰

吉林大學電子科學與工程學院 胡大強、殷景志

中國電子科技集團公司第四十九研究所 陳信琦

0、引言

磁感測器技術分類（來源：《磁感測器市場與技術-2017版》）

由於磁性感測技術不會受到灰塵、污垢、油脂、振動以及濕度的影響，因此磁感測器在工業設備和電子儀器中有著廣泛的應用，如磁共振成像、生產的自動控制、流程工業、煤礦勘探、電流測量、缺陷定位和鐵磁材料剩餘應力檢測等方面。為了滿足不同場合的應用，已根據不同感測原理製備了相應的磁感測器，常見的有超導量子干涉裝置(SQUID) 、磁通門磁力計、霍爾效應感測器、各向異性磁阻(AMR)感測器、微機電系統(MEMS)磁感測器。在這些感測器中，雖然SQUID可探測極小磁感應強度(fT)，但裝置需要低溫冷卻，並且易受電磁干擾，為此需要複雜的外圍設備；磁通門磁力計具有體積大、功耗大、運行範圍小和不能檢測靜態磁場的特性，限制了其應用；霍爾效應感測器顯示增加靈敏度需靠增加功耗實現；而AMR感測器則要求沉積磁性材料及自動校正系統，且在幾mT時易出現飽和；由於MEMS技術可以將傳統的磁感測器小型化，因此基於MEMS的磁感測器具有體積小、性能高、成本低、功耗低、高靈敏和批量生產等優點，其製備材料以Si為主，消除了磁感測器製備必須採用特殊磁性材料及其對被測磁場的影響。本文對目前基於MEMS的磁感測器在製備過程中涉及的主要設計、製作，感測技術及器件性質進行綜述，並對其未來發展進行展望。

磁感測器市場（來源：《磁感測器市場與技術-2017版》）

磁感測器供應鏈和關鍵廠商（來源：《磁感測器市場與技術-2017版》）

1、MEMS磁感測器設計及製作

1.1 MEMS磁感測器設計

為了獲得高性能的MEMS磁感測器，首先要根據器件的應用對象對器件進行設計，由此確定器件的結構、使用的材料、應用的工作原理和感應技術等。MEMS設計人員可以根據模擬和建模工具選擇製造感測器的最佳工藝和材料，並預測MEMS磁感測器的性能。同時設計人員必須考慮器件製作過程應遵從的材料生長、器件製作、信號調製和感應技術的實現等規則，以避免發生影響感測器性能的錯誤。在開發商用MEMS感測器時，必須考慮以下幾點：優化器件結構設計；包裝設計；可靠的材料性能和標準製造工藝；合適的設計和模擬工具；減少電子雜訊和寄生電容；可靠的信號處理系統；可靠的測試。

目前常使用的MEMS設計工具包括MEMSCAP、CoventorWare、IntelliSuite和Sandia Ultra-planar Multi-level MEMS Technology (SUMMiTV) 。這些設計工具具有創建感測器版圖和檢查設計規則的模塊，並且可以模擬微加工過程的步驟，有利於減少獲得高性能MEMS磁感測器的時間。

1.2 MEMS磁感測器製作

通常，MEMS磁場感測器的製造可以採用體或表面微加工工藝來實現。由於硅具有很好的機械和電學性質而被用來作為其主要加工材料，例如，硅具有最小的機械滯後和接近1GPa的斷裂應力。此外，硅在摻雜磷或硼後其電性能可得到明顯的改善。

體微加工工藝是採用濕法和干法蝕刻技術，通過材料的各向同性和各向異性蝕刻製備所需要的材料結構。表面微加工工藝是通過在襯底上進行不同材料層的沉積，圖案化和蝕刻實現對MEMS器件的製造。通常，這些層被用作結構和犧牲層。圖1分別給出了通過體加工和表面微加工工藝製備的磁感測器的SEM。

圖1 體加工和表面加工獲得的SEM

2、感測技術及MEMS磁感測器

2.1 感測技術

可以採用不同的感測技術製備MEMS磁感測器，例如壓阻式、電容和光學技術。這些技術能夠將磁場信號分別轉換成電信號或光信號。在電信號檢測中，當電源受限或存在強電磁干擾時，會影響其應用。而光信號檢測在強電磁場作用及長距離傳輸等條件下應用比電信號檢測更有優勢，因此常應用在極端場合。此外，為了獲得高的解析度和靈敏度，MEMS磁感測器需要配有低電子雜訊和寄生電容的信號調製系統。

2.2 各類MEMS磁感測器

V. Kumar等報道通過內部熱壓阻振蕩放大器實現的洛侖茲力諧振MEMS磁力計具有極高的靈敏度。他們採用偏置電流調諧方法，將諧振器的有效品質因子從680提高到1.14x10^6，已證明內部放大係數提高了1620倍。此外，諧振器偏置電流的增加除了改善器件的品質因子外，也使器件的靈敏度提高了2400倍(從0.9 μV·nT^(-1)到 2.107 mV·nT^(-1)) 。在直流偏置電流為7.245 mA時，獲得最大靈敏度為2.107 mV·nT^(-1)，本底雜訊為2.8 pT·Hz^(-1/2)。

E. Mehdizadeh等報道了基於洛倫茲力在低電阻率n型SOI襯底上製造的MEMS磁感測器，其主元件的SEM和電連接分別如圖2所示。該感測器利用了雙板硅諧振器(厚度10 μm，其中之一具有10 μm x 200 nm的金線)，其中間設計的2個窄梁與2個Si板連接；當諧振器在平面振動模式下振蕩時，它會受到周期性的拉伸和壓縮應力，因此呈現壓阻特性。諧諧振器的品質因子在大氣壓下被放大(從1140到16900) 。此外，該感測器可通過增加諧振器振動幅度來提高其靈敏度。在空氣中，當諧振頻率為2. 6 MHz、品質因子為16900時，獲得感測器靈敏度為262 mV/T。

圖2 壓阻式MEMS磁感測器主元件的SEM和電連接

A. L. Herrera-May等製備了具有簡單諧振器和線性電響應的MEMS磁感測器。它由穿孔板(472μm x 300 μm x 15 μm) 、4 個彎曲梁(18 μm x 15 μm x 15 μm) 、2 個支撐梁(60 μm x 36 μm x 15 μm)和4個p型壓敏電阻構成的惠斯登電橋形成，見圖3。在SOI襯底上採用標準的體微加工工藝製造器件，通過調整激勵電流控制器件的動態範圍使其保持線性電響應，獲得器件品質因子為419. 6、靈敏度為230 mV·T、解析度為2. 5 μT，功耗為12 mW。該感測器適合應用於非破壞性的磁性測試及鐵磁材料缺陷和腐蝕的檢測。

圖3 MEMS磁感測器主要部分的頂視圖和4個壓敏電阻組成的惠斯登電橋

Langfelder等製備了具有電容讀出的MEMS磁場感測器，該感測器可檢測與諧振結構表面垂直方向(z軸) 的磁場。它由一組固定定子和兩根細梁懸掛的梭子組成，形成2個差分平行板敏感電容器C1和C2，見圖4。具有感測器共振頻率的梁，在通有電流時與磁場相互作用，從而使2個細梁受到洛倫茲力作用。這個力垂直於磁場和交流電流所構成的平面，導致梁和平行板產生位移，該位移可以通過差分電容的變化來檢測。感測器在峰值驅動電流為250 μA時的總靈敏度為150 μV·μT^(-1)、理論雜訊為557. 2 μV·Hz^(-1/2)、解析度為520 nT·mA^(-1)·Hz^(-1/2)、品質因子約328、共振頻率為28.3 kHz。

圖4 由平行板、固定定子和2根細梁支撐的梭子形成的MEMS磁場感測器的示意圖

M. Li等設計了由彎曲梁諧振器(1200 μm x 680 μm x 40 μm)組成的磁場感測器。彎曲梁諧振器與載有電流的Si梁通過微槓桿機制耦合，諧振器藉助彎曲梁的每一側的30個叉指電極實現靜電驅動和電容感應，獲得感測器的靈敏度為6687 ppm·mA^(-1)·T^(-1)、品質因子為540、諧振頻率為21.9 kHz (1 ppm = 10^(-6)) 。

Aditi等通過採用SOI和玻璃片的陽極鍵合技術製備了MEMS磁場感測器。該器件製作工藝具有以下優點：低溫(≤400 ℃) 、可靠、可重複、少的光刻步驟及可控電極間距離的能力。獲得感測器功耗為0.45 mW，解析度為215 nT·Hz^(-1/2)。

B. Park等設計了由硅諧振器和緊湊型激光定位系統構成的磁場感測器，如圖5所示。該系統具有光電探測器和激光二極體，用於監測電流偏置的反射鏡角位移。諧振器由塗覆有鋁層(2500 μm x 2500 μm x 0.8 μm)的硅膜(3000 μm x 3000 μm x 12 μm)組成，膜由兩根扭轉彈簧(2100 μm x 100 μm x 12 μm)支撐，寬度為30 μm、厚度為0. 8 μm的鋁線沉積在其上。施加的磁場與反向鏡的位移有關，當線圈偏置電流為50 mA時，獲得感測器的靈敏度為62 mV·μT^(-1)、共振頻率為364 Hz、品質因子為116、53 mHz帶寬的解析度為0.4 nT、本底雜訊為1.78 nT·Hz^(-1/2)。

圖5 具有光讀出的MEMS磁場感測器和感測器工作原理圖

M. Lara-Castro等提出在印刷電路板上實現的MEMS磁場感測器的攜帶型信號調製系統，它配有能夠諧磁場感測器的2個正弦信號發生器。磁場感測器由共振硅結構(600 μm x 700 μm x 5 μm) 、1個鋁環(1 μm厚)和4個p型壓敏電阻組成的惠斯登電橋構成。2個信號發生器的頻率穩定度為±100 ppm，解析度為1 Hz。該系統中，磁場與電壓有近似線性關係；大氣壓下靈敏度和解析度分別為0.32 V/T和35 nT。

龍亮等採用MEMS磁扭擺和檢測差分電容構成了MEMS磁感測器。磁扭擺是通過在雙端固定梁的硅薄膜上製作CoNiMnP永磁薄膜獲得，磁感測器尺寸為3.7 mm x 2.7 mm x 0.5 mm，製備的MEMS磁感測器具有良好的線性，靈敏度為27.7 fF/mT，最小可分辨磁場大小為36 nT。

3、展望

目前基於Lorentz力的MEMS諧振式磁感測器主要通過壓阻、光學和電容感測技術來檢測磁場。這些技術可為設計人員提供研製特定應用場合的最佳感測器方法，例如，壓阻感測適於採用體微加工工藝實現和簡單的信號處理系統。但壓阻感應存在電壓偏移，且電阻易受溫度影響，因此系統中需要提供溫度補償電路。電容感測主要通過表面微加工工藝實現，並將所施加的磁場轉換為電輸出信號。該技術具有很小的溫度依賴性，並允許電子電路與磁感測器製作在同一晶元上。通常，電容感應的感測器在大氣壓下具有高的空氣阻尼，為避免它的影響需要對器件進行真空封裝才能提高其靈敏度。利用光學敏感技術製備的感測器由於具有抗電磁干擾的特性，因此系統中所需要電路比電容和壓阻敏感技術的少，可在惡劣環境中工作，表面和體微加工工藝均適用於這種感測技術的優點。然而，這些感測技術都存在著由於焦耳效應而導致感測器結構發熱的問題，這會產生熱應力和諧振器的位移。為此，需要進一步對器件散熱、諧振器機械可控性及真空封裝研究，以確保獲得更好的MEMS磁感測器性能。

隨著微納米技術的發展、微機械製造技術的成熟，越來越多的感測器開始向著集成化、智能化和網路化方向發展，它們已成為工業生產實現智能製造的重要動力。其智能應用主要在如下幾方面：

(1) 感測技術。構建感測器網路系統，保證對信息進行搜集、整合與傳輸，使工業生產過程得到更有效的控制。

(2) 數控生產。總主線模式通過在線診斷，實現對整體工業生產線的儀錶控制。

(3) 自動生產和機械。利用自動化技術開展機械生產，可顯著提高生產效率和質量。

4、結束語

本文綜述了通過體加工和表面加工方法、利用壓阻、電容和光學技術製備的基於洛倫茲力的MEMS磁感測器，並介紹了各種結構磁感測器的靈敏度、品質因子、雜訊和探測極限等特性。隨著納米技術、集成化技術以及封裝技術的不斷發展，更多高性能、同時可監測多個物理量的智能感測器會不斷出現。

推薦培訓：

2018年5月25日至5月27日，麥姆斯諮詢主辦的「MEMS封裝和測試培訓課程」將在無錫舉行，培訓內容包含：（1）MEMS分立器件封裝技術（金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等）；（2）MEMS晶圓級封裝技術（晶圓級鍵合、晶圓級微帽、晶圓級密封、TSV等）；（3）MEMS系統級封裝技術及器件失效案例分析；（4）典型MEMS器件封裝和測試技術：MEMS麥克風、光學感測器、磁感測器、指紋識別感測器、射頻濾波器、圖像感測器、氣體感測器等；（5）MEMS封裝鍵合設計；（6）選修課程：MEMS設計工具Tanner軟體及應用（MEMS設計-建模與模擬方法）。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！