BOB博鱼·(Boyu)_基于洛伦兹力的MEMS磁传感器设计及制作

0、章节磁传感器技术分类(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具有普遍的应用于，如磁共振光学、生产的自动控制、流程工业、煤矿勘探、电流测量、缺失定位和铁磁材料剩下形变检测等方面。为了符合有所不同场合的应用于，已根据有所不同传感原理制取了适当的磁传感器，少见的有超导量子干预装置(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可观测大于磁感应强度(fT)，但装置必须低温加热，并且易受电磁干扰，为此必须简单的外围设备;磁通门磁力计具备体积大、功耗大、运营范围小和无法检测静态磁场的特性，容许了其应用于;霍尔效应传感器表明减少灵敏度需靠减少功耗构建;而AMR传感器则拒绝沉积磁性材料及自动校正系统，且在几mT时易经常出现饱和状态;由于MEMS技术可以将传统的磁传感器小型化，因此基于MEMS的磁传感器具备体积小、性能低、成本低、功耗较低、高灵敏和批量生产等优点，其制取材料以Si居多，避免了磁传感器制取必需使用类似磁性材料及其对被测磁场的影响。本文对目前基于MEMS的磁传感器在制取过程中牵涉到的主要设计、制作，传感技术及器件性质展开综述，并对其未来发展展开未来发展。

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1.1MEMS磁传感器设计为了取得高性能的MEMS磁传感器，首先要根据器件的应用于对象对器件展开设计，由此确认器件的结构、用于的材料、应用于的工作原理和感应器技术等。MEMS设计人员可以根据仿真和建模工具自由选择生产传感器的最佳工艺和材料，并预测MEMS磁传感器的性能。同时设计人员必需考虑到器件制作过程不应遵守的材料生长、器件制作、信号调制和感应器技术的构建等规则，以防止再次发生影响传感器性能的错误。在开发商用MEMS传感器时，必需考虑到以下几点：优化器件结构设计;纸盒设计;可信的材料性能和标准生产工艺;适合的设计和建模工具;增加电子噪声和寄生电容;可信的信号处理系统;可信的测试。

目前经常用于的MEMS设计工具还包括MEMSCAP、CoventorWare、IntelliSuite和SandiaUltra-planarMulti-levelMEMSTechnology(SUMMiTV)。这些设计工具具备创立传感器版图和检查设计规则的模块，并且可以仿真微加工过程的步骤，不利于增加取得高性能MEMS磁传感器的时间。1.2MEMS磁传感器制作一般来说，MEMS磁场传感器的生产可以使用体或表面微加工工艺来构建。

由于硅具备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，硅具备大于的机械迟缓和相似1GPa的脱落形变。此外，硅在掺入磷或硼后其电性能可获得显著的提高。体微加工工艺是使用湿法和干法转印技术，通过材料的各向同性和各向异性转印制取所必须的材料结构。表面微加工工艺是通过在衬底上展开有所不同材料层的沉积，图案化和转印构建对MEMS器件的生产。

一般来说，这些层被用于结构和壮烈牺牲层。图1分别得出了通过体加工和表面微加工工艺制取的磁传感器的SEM。图1体加工和表面加工取得的SEM2、传感技术及MEMS磁传感器2.1传感技术可以使用有所不同的传感技术制取MEMS磁传感器，例如压阻式、电容和光学技术。

这些技术需要将磁场信号分别转换成电信号或光信号。在电信号检测中，当电源有限或不存在强劲电磁干扰时，不会影响其应用于。

而光信号检测在强劲电磁场起到及长距离传输等条件下应用于比电信号检测更加有优势，因此经常应用于在极端场合。此外，为了取得低的分辨率和灵敏度，MEMS磁传感器必须备有较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等报导通过内部热压压波动放大器构建的洛仑兹力谐振MEMS磁力计具备极高的灵敏度。他们使用偏置电流回声方法，将谐振器的有效地品质因子从680提升到1.14x10^6，已证明内部放大系数提升了1620倍。

此外，谐振器偏置电流的减少除了提高器件的品质因子外，也使器件的灵敏度提升了2400倍(从0.9μV·nT^(-1)到2.107mV·nT^(-1))。在直流偏置电流为7.245mA时，取得仅次于灵敏度为2.107mV·nT^(-1)，本底噪声为2.8pT·Hz^(-1/2)。E.Mehdizadeh等报导了基于洛伦兹力在较低电阻率n型SOI衬底上生产的MEMS磁传感器，其主元件的SEM和电相连分别如图2右图。

该传感器利用了双板硅谐振器(厚度10μm，其中之一具备10μmx200nm的金线)，其中间设计的2个较宽梁与2个Si板相连;当谐振器在平面振动模式下波动时，它不会受到周期性的剪切和传输形变，因此呈现出压阻特性。谐谐振器的品质因子在大气压下被缩放(从1140到16900)。

此外，该传感器可通过减少谐振器振动幅度来提升其灵敏度。在空气中，当谐振频率为2.6MHz、品质因子为16900时，取得传感器灵敏度为262mV/T。图2压阻式MEMS磁传感器主元件的SEM和电相连A.L.Herrera-May等制取了具备非常简单谐振器和线性电号召的MEMS磁传感器。

它由穿孔板(472μmx300μmx15μm)、4个倾斜梁(18μmx15μmx15μm)、2个支撑梁(60μmx36μmx15μm)和4个p型压敏电阻包含的惠斯登电桥构成，闻图3。在SOI衬底上使用标准的体微加工工艺生产器件，通过调整鼓舞电流掌控器件的动态范围使其维持线性电号召，取得器件品质因子为419.6、灵敏度为230mV·T、分辨率为2.。

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