付春末, 熊 斌, 陸仲明, 王文杰

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

磁場(chǎng)傳感器作為一種能夠?qū)⒋艌?chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，如今被廣泛應(yīng)用于地磁場(chǎng)測(cè)量、磁探傷以及醫(yī)療等多種場(chǎng)景下[1]。隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)于可方便攜帶且便于集成化的磁場(chǎng)傳感器的需求與日俱增。微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)磁場(chǎng)傳感器相較于傳統(tǒng)傳感器，具有成本低、體積小，可與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為目前磁場(chǎng)傳感器研究的主要方向。如1991年，Donzier E等人曾報(bào)道的諧振式磁場(chǎng)傳感器[3],文獻(xiàn)[4]報(bào)道的在大氣壓下工作的諧振式磁場(chǎng)傳感器,2014年,Mehdi zadeh E等人報(bào)道的基于自放大機(jī)制的高Q值洛倫茲力MEMS磁場(chǎng)傳感器[5]，2016年，Ghosh S等人報(bào)道的基于電容檢測(cè)的諧振式磁場(chǎng)傳感器[6]等。對(duì)三軸MEMS磁場(chǎng)傳感器的研究目前也是廣泛研究的重點(diǎn)。Marra C R等人巧妙地設(shè)計(jì)了一種嵌套式諧振結(jié)構(gòu)，并令其同時(shí)工作在3種不同的諧振模態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了利用單個(gè)器件對(duì)三軸磁場(chǎng)的測(cè)量[7]。文獻(xiàn)[8]利用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，通過(guò)更改激勵(lì)電流的流向，完成了單一結(jié)構(gòu)對(duì)三軸磁場(chǎng)的測(cè)量。Yeh P C等人提出了一種利用壓電效應(yīng)的三軸磁場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)三軸磁場(chǎng)的檢測(cè)[9]。上述傳感器可通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)電流來(lái)提高諧振結(jié)構(gòu)所受到的洛倫茲力的大小，進(jìn)而通過(guò)增加諧振結(jié)構(gòu)的位移量，達(dá)到提高靈敏度的目的。但隨之帶來(lái)的是器件功耗的提升，以及動(dòng)態(tài)范圍的下降。如何解決高靈敏度與器件功耗，動(dòng)態(tài)范圍之間存在的矛盾關(guān)系，是MEMS磁場(chǎng)傳感器的研究所面臨的挑戰(zhàn)之一。

針對(duì)現(xiàn)有MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器所面臨的一些挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律的單片集成MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器，為可與現(xiàn)有加速度計(jì)、陀螺儀等MEMS器件兼容制造的三軸MEMS磁場(chǎng)傳感器提供一種參考途徑。本文對(duì)所制作的基于法拉第電磁感應(yīng)定律的單片集成MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器，在傳感器結(jié)構(gòu)，制作方法以及性能等幾個(gè)方面進(jìn)行了展示。

1 器件設(shè)計(jì)

本團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)報(bào)道了2種可以對(duì)面內(nèi)與面外磁場(chǎng)進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量的器件，同時(shí)構(gòu)想了一種單片集成方案[10]。但該方案中傳感器內(nèi)部空間并未充分利用。本文在原有4S梁器件的基礎(chǔ)上，提出了2S梁器件的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)相比于原來(lái)的設(shè)計(jì)，將原有的4根諧振梁更改為2根諧振梁，縮小了器件尺寸；同時(shí)，該設(shè)計(jì)可通過(guò)錨點(diǎn)進(jìn)行多個(gè)相同結(jié)構(gòu)器件的耦合，理論上，傳感器對(duì)Z軸磁場(chǎng)的靈敏度可在不更改器件諧振頻率的條件下通過(guò)器件耦合的方式線性提升，提高了傳感器內(nèi)部空間的利用率。同時(shí)，針對(duì)扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)將其錨點(diǎn)移至框體外部以及在框體上增加阻尼孔等方式，用以提高器件的Q值。經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，整個(gè)傳感器由3個(gè)獨(dú)立的裝置構(gòu)成：對(duì)面外磁場(chǎng)的測(cè)量由2S梁耦合結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行，對(duì)面內(nèi)磁場(chǎng)的測(cè)量由2個(gè)敏感軸相互垂直的扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行。

本文中提出的器件工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律

(1)

式中ε為閉合線圈兩端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),V;N為線圈匝數(shù);B為被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;S為閉合線圈面積，m2;t為時(shí)間，s。由式(1)可以看到，當(dāng)流過(guò)閉合線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，閉合線圈兩端將產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小成正比的電壓。本文所設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)傳感器采用靜電推挽驅(qū)動(dòng)，通過(guò)在諧振結(jié)構(gòu)上施加直流偏置、梳齒驅(qū)動(dòng)電極上施加交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方式進(jìn)行工作。圖 1分別展示了，利用COMSOL Multiphysics 5.5軟件對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的器件建模仿真的結(jié)果。

由圖1可知，對(duì)2S梁耦合結(jié)構(gòu)，其所需的平面收縮擴(kuò)張振動(dòng)模態(tài)為106.27 kHz，對(duì)扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)，其所需的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)為14.305 kHz。

圖1 利用COMSOL軟件仿真得到的2S梁耦合結(jié)構(gòu)和扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)的特征頻率與特征模態(tài)

2 器件制造

本文中報(bào)道的MEMS磁場(chǎng)傳感器通過(guò)MEMS工藝制作得到，主要包含光刻、刻蝕、鍵合、濺射等工藝流程。制造過(guò)程的簡(jiǎn)要工藝流程如圖2所示，并且對(duì)每一步的工藝目的在下方做了概述。

圖2 單片集成MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器的工藝流程

圖2(a)為通過(guò)光刻與反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)工藝，將對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記刻蝕在襯底上；并將用于下一步工藝流程的二氧化硅(SiO2)掩模制備在基底上；圖2(b)為通過(guò)光刻與深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)工藝，為諧振結(jié)構(gòu)提供諧振空腔，并為交錯(cuò)梳齒的刻蝕提供硅結(jié)構(gòu)；圖2(c)為通過(guò)氫氧化鉀(KOH)溶液對(duì)利用鍵合工藝得到的硅片進(jìn)行結(jié)構(gòu)減薄。隨后利用熱氧工藝提供所需絕緣層。圖2(d)為利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)與磁控濺射等工藝為線圈的制備提供所需材料，并利用光刻與鋁腐蝕工藝得到所需多層鋁線圈；圖2(e)為在第二步工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)光刻與DRIE刻蝕等工藝制作驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)框振動(dòng)的交錯(cuò)梳齒雛形；圖2(f)為通過(guò)光刻、DRIE刻蝕等工藝將諧振結(jié)構(gòu)釋放在第二步得到的諧振腔體內(nèi)，并完成交錯(cuò)梳齒的制作從而完成傳感器的制作過(guò)程。

圖3為制作完成的基于法拉第電磁感應(yīng)定律的單片集成MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器以及部分結(jié)構(gòu)的掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖像。需要注明的是，由于傳感器尺寸為9.12 mm×8.88 mm，因此,其整體SEM圖像由多張圖片拼接得到。在圖像中可清楚的看到三軸磁場(chǎng)傳感器由2種不同結(jié)構(gòu)、3個(gè)獨(dú)立器件構(gòu)成。諧振梁、鋁線圈、驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)梳齒、阻尼孔與中央錨點(diǎn)等結(jié)構(gòu)也在放大圖中得到展示。

圖3(a)為單片集成三軸MEMS磁場(chǎng)傳感器的整體SEM照片；圖3(b)為作為彈簧的折疊梁；圖3(c)為中心錨點(diǎn)照片；圖3(d)為用于2S梁耦合結(jié)構(gòu)的檢測(cè)梳齒；圖3(e)為位于扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)上的泄氣孔；圖3(f)為泄氣孔的放大圖片； 圖3(g)為用于扭轉(zhuǎn)框器件驅(qū)動(dòng)的交錯(cuò)梳齒結(jié)構(gòu)。

圖3 單片集成三軸MEMS磁場(chǎng)傳感器的SEM圖與部分位置細(xì)節(jié)圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 諧振特性分析

繪制在相同磁感應(yīng)強(qiáng)度下，傳感器被施加不同頻率的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，測(cè)試電路的輸出電壓平均值與交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的曲線。所用測(cè)試電路的放大倍數(shù)為40 000倍，所加直流偏置的大小為25 V。傳感器的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)由KEYSIGHT 33210A信號(hào)發(fā)生器給出，信號(hào)幅值為1.5 Vpp。所需磁場(chǎng)由PEM—4電磁鐵與Model F2031程控電流源產(chǎn)生，磁場(chǎng)大小通過(guò)霍爾傳感器Model 1800 Gauss/Tesla meter校訂為-5 mT。測(cè)試條件為大氣壓下。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測(cè)試結(jié)果

在圖4(a)為2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件在-5 mT磁場(chǎng)下，電路輸出電壓平均值與交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的關(guān)系；圖4(b)為扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件在-5 mT磁場(chǎng)下，電路輸出電壓平均值與交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的關(guān)系。

通過(guò)與利用COMSOL Multiphysics 5.5軟件得到的對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)器件的仿真結(jié)果比較，可以看出，實(shí)際制作得到的器件中扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件的諧振頻率與理論值相差不大；2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件的真實(shí)諧振頻率與理論值存在約4 kHz的偏差，這主要是由于制作中存在誤差所導(dǎo)致的。整體而言，兩種器件的諧振頻率與仿真結(jié)果相吻合。

3.2 傳感器靈敏度、非線性度與交叉軸抑制比測(cè)試

為了得到傳感器的靈敏度與非線性度，需要繪制輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的曲線。所用測(cè)試電路的放大倍數(shù)為40 000倍，所加直流偏置的大小為25 V。傳感器的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)由KEYSIGHT 33210A信號(hào)發(fā)生器給出，信號(hào)幅值為1.5 Vpp。所需磁場(chǎng)由PEM—4電磁鐵與Model F2031程控電流源產(chǎn)生，磁場(chǎng)大小通過(guò)霍爾傳感器Model 1800 Gauss/Tesla meter校訂。測(cè)試條件為大氣壓下。當(dāng)給2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件分別施加Z軸、X軸和Y軸磁場(chǎng)時(shí)，其輸出曲線如圖5(a)所示；當(dāng)給扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件分別施加Z軸、X軸和Y軸磁場(chǎng)時(shí)，其輸出曲線如圖5(b)所示。

圖5 2S梁耦合結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)的“電壓—磁感應(yīng)強(qiáng)度”曲線

由圖5可知，2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件對(duì)Z軸磁場(chǎng)靈敏度Sz,z為189.32 mV/mT,對(duì)X軸磁場(chǎng)交叉軸靈敏度Sz,x為0.615 mV/mT;對(duì)Y軸磁場(chǎng)交叉軸靈敏度Sz,y為0.915 mV/mT;扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件對(duì)X軸磁場(chǎng)靈敏度Sx,x為56.62 mV/mT,對(duì)Z軸磁場(chǎng)交叉軸靈敏度Sx,z為0.33 mV/mT;對(duì)Y軸磁場(chǎng)交叉軸靈敏度Sx,y為0.497 6 mV/mT。

需要注意的是，該輸出電壓平均值與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的比例因子為系統(tǒng)靈敏度。文獻(xiàn)[10]給出了在相同測(cè)試電路下，系統(tǒng)靈敏度與器件機(jī)械靈敏度之間的轉(zhuǎn)換公式

(2)

式中SM為器件的機(jī)械靈敏度；Soverall為通過(guò)線性擬合曲線得到的系統(tǒng)靈敏度；A為整個(gè)電路的放大倍數(shù)。根據(jù)式(2)換算得到，2S耦合梁器件的機(jī)械靈敏度為7.435 μV/mT，非線性度為0.436 %；扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件的機(jī)械靈敏度為2.223 μV/mT，非線性度為0.49 %。2S梁耦合結(jié)構(gòu)器件與扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件的靈敏度相較于本團(tuán)隊(duì)曾報(bào)道過(guò)的4S梁器件與扭轉(zhuǎn)框器件的靈敏度(5.8，1.9 μV/mT)略微提高。但2S梁耦合結(jié)構(gòu)器件的非線性度相較于報(bào)道過(guò)的4S梁器件的非線性度(0.06 %)要大1個(gè)數(shù)量級(jí)左右，這主要是由于本器件測(cè)試電路采用了開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)，靈敏度溫漂、電磁阻尼等影響非線性度的因素未被消除。

同時(shí)，由于本傳感器致力于對(duì)三維磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。因此，對(duì)本文中提出的MEMS磁場(chǎng)傳感器交叉軸抑制比的研究是十分必要的。定義X軸為敏感軸，Y軸為交叉軸，定義交叉軸抑制比為

(3)

式中Sx,x定義為傳感器對(duì)敏感軸方向磁場(chǎng)的機(jī)械靈敏度，Sx,y定義為對(duì)交叉軸方向磁場(chǎng)的機(jī)械靈敏度。由線性擬合得到，2S梁耦合結(jié)構(gòu)器件的交叉軸機(jī)械靈敏度為Sz,x=0.024 2 μV/mT，Sz,y=0.035 9 μV/mT;交叉軸抑制比為γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB;扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件的交叉軸機(jī)械靈敏度為Sx,z=0.012 96 μV/mT，Sx,y=0.019 5 μV/mT；交叉軸抑制比為γx,z=44.687 dB，γx,y=41.138 dB。與本團(tuán)隊(duì)曾報(bào)道過(guò)的數(shù)據(jù)[10]相比，當(dāng)2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件被用于Z軸磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)，其對(duì)X軸磁場(chǎng)的交叉軸抑制比略微降低0.251 dB，其對(duì)Y軸磁場(chǎng)的交叉軸抑制比提升7.324 dB。當(dāng)扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件被用于X軸磁場(chǎng)測(cè)試時(shí)，其對(duì)Z軸磁場(chǎng)與Y軸磁場(chǎng)的交叉軸抑制比分別提升了3.687 dB與4.138 dB。

理論上，對(duì)于2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件，其γz,x、γz,y應(yīng)為無(wú)窮大，即Sz,x、Sz,y應(yīng)為零，但實(shí)測(cè)值卻并不是這樣。這是由于以下兩點(diǎn)因素導(dǎo)致的：1)在工藝流程中，諧振結(jié)構(gòu)在釋放后并非完全與襯底水平，因此在測(cè)量時(shí)，諧振結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)之間存在著角度偏差；2)在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件與被測(cè)磁場(chǎng)之間存在著因貼片，裝配到接口電路上等因素帶來(lái)的角度誤差。這兩種角度誤差問(wèn)題將導(dǎo)致2S梁耦合結(jié)構(gòu)上附著的鋁線圈對(duì)交叉軸方向的等效包圍面積會(huì)隨著諧振結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生周期性的變化，因此其Sz,x、Sz,y不為零。

對(duì)于扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件，其在測(cè)量過(guò)程中不僅包含與2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件相似的角度誤差問(wèn)題，同時(shí)其自身扭轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了諧振結(jié)構(gòu)上附著的鋁線圈對(duì)于Z軸的等效包圍面積也會(huì)隨諧振結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生周期性的變化。這兩個(gè)因素共同導(dǎo)致了γx,z,γx,y并非無(wú)窮大。后續(xù)可通過(guò)改進(jìn)工藝流程、優(yōu)化貼片方式以及改進(jìn)裝配方法等方式，減少角度誤差，進(jìn)一步提高交叉軸抑制比。

4 結(jié) 論

在本文中利用MEMS工藝，設(shè)計(jì)并制造了一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律的單片集成MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器。介紹了該傳感器的設(shè)計(jì)思路、工作原理以及制作工藝。展示了對(duì)該傳感器的諧振特性、靈敏度、非線性度和交叉軸抑制比測(cè)試結(jié)果。

單片集成MEMS三軸磁場(chǎng)傳感器利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作，其輸出信號(hào)與外界磁場(chǎng)為線性關(guān)系。同時(shí)，器件的靈敏度可通過(guò)提升交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值得到提高。因此，在理論上避免了高靈敏度與功耗、動(dòng)態(tài)范圍之間的矛盾關(guān)系。經(jīng)過(guò)測(cè)試，2S耦合梁結(jié)構(gòu)器件對(duì)Z軸磁場(chǎng)的靈敏度為7.435 μV/mT，非線性度為0.436 %，對(duì)X軸磁場(chǎng)與Y軸磁場(chǎng)的交叉軸抑制比分別為γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB。扭轉(zhuǎn)框結(jié)構(gòu)器件對(duì)X軸磁場(chǎng)的靈敏度為2.223 μV/mT，非線性度為0.49 %，對(duì)Z軸磁場(chǎng)與Y軸磁場(chǎng)的交叉軸抑制比分別為γx,z=44.687 dB，γx,y=41.138 dB。

目前，仍采用開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)傳感器進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路由于電路匹配問(wèn)題仍在優(yōu)化過(guò)程中。預(yù)計(jì)采用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)試后，傳感器的靈敏度將得到提高，非線性度將得以降低。后續(xù)通過(guò)改進(jìn)工藝流程，優(yōu)化貼片方法和改進(jìn)裝配方法等方式，可以進(jìn)一步提高交叉軸抑制比。