一种双扭摆式微机电磁场传感器

摘要

本发明公开了一种双扭摆式微机电磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的衬底、底电极层、牺牲层、金属层和氮化硅层，氮化硅层的顶面设有锚区，锚区一边设有第二焊盘、第四焊盘和两个第五焊盘，锚区另一边设有第一焊盘、第三焊盘、第十焊盘和两个第六焊盘；氮化硅层的中部设有第一扭摆梁，第一扭摆梁通过两个第一支撑梁与锚区固定连接；第一扭摆梁的内侧设有第二扭摆梁；第一扭摆梁边缘和第二扭摆梁边缘布设有第一驱动金属线和第二驱动金属线；第一扭摆梁的底面设有第一电容和第二电容；第二扭摆梁的底面设有第三电容和第四电容。该磁场传感器可以测量磁场幅度及角度，且该磁场传感器结构简单。

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种双扭摆式微机电磁场传感器。

背景技术

磁场传感器有着悠久的历史，指南针的发明到现代交通导航，磁场传感器越来越被人重视。

磁场传感器与我们的生活息息相关，自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

随着微机电系统（MEMS）技术的发展，大大推动了MEMS磁场传感器的发展，出现了一些微型磁场传感器的结构，同时新发展的MEMS工艺能够在硅衬底上利用IC（英文全称为：integrated circuit，中文是：集成电路）后处理工艺制作各种机械结构，为磁场传感器的设计开辟了新的途径，近年来，提出了一些微型磁场传感器的结构，如法国的Vincent Beroulle、Laurent Latorre提出的MEMS磁场传感器，在悬臂梁与锚区附近做压阻，通过测量压阻的输出检测磁场。扭摆式MEMS磁场传感器最早由Beverley Eyre等人提出，测量在磁场作用下受力后结构扭摆的幅度，来测量磁场的大小。这些磁场传感器只能测量磁场的大小。磁场是一个矢量，所以对磁场方向信息很重要。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种双扭摆式微机电磁场传感器，该磁场传感器可以测量磁场幅度及角度，且该磁场传感器结构简单。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双扭摆式微机电磁场传感器，其特征在于，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底、底电极层、牺牲层、金属层和氮化硅层，牺牲层、金属层和氮化硅层均为中空结构，氮化硅层的顶面设有锚区，锚区一边设有第二焊盘、第四焊盘和两个第五焊盘，锚区另一边设有第一焊盘、第三焊盘、第十焊盘和两个第六焊盘；氮化硅层的中部设有第一扭摆梁，第一扭摆梁通过两个第一支撑梁与锚区固定连接，第一扭摆梁和第一支撑梁处于悬空状态；第一扭摆梁的内侧设有第二扭摆梁，第二扭摆梁通过两个第二支撑梁与第一扭摆梁的内壁固定连接，第二扭摆梁和第二支撑梁处于悬空状态；第一扭摆梁边缘和第二扭摆梁边缘布设有第一驱动金属线和第二驱动金属线；第一扭摆梁的底面设有第一电容和第二电容，第一扭摆梁的顶面设有第一电容引线和第二电容引线；第二扭摆梁的底面设有第三电容和第四电容，第二扭摆梁的顶面和第一扭摆梁的顶面设有第三电容引线和第四电容引线；第一扭摆梁中设有含金属柱的第一通孔和含金属柱的第二通孔，第一电容通过第一通孔与第一电容引线的一端连接，第一电容引线的另一端与第一焊盘连接；第二电容通过第二通孔与第二电容引线的一端连接，第二电容引线的另一端与第二焊盘连接；第二扭摆梁中设有含金属柱的第三通孔和含金属柱的第四通孔，第三电容通过第三通孔与第三电容引线的一端连接，第三电容引线另一端与第三焊盘连接；第四电容通过第四通孔与第四电容引线一端连接，第四电容引线另一端与第四焊盘连接；第一驱动金属线的两端分别与一个第五焊盘连接，第一扭摆梁上设有含金属柱的第五通孔和含金属柱的第六通孔，第一驱动金属线的第一中间端通过第五通孔的金属柱与第一连接线的一端连接，第一驱动金属线的第二中间端通过第六通孔的金属柱与第一连接线另一端连接；第二驱动金属线的两端分别与一个第六焊盘连接，第一扭摆梁上设有含金属柱的第七通孔和含金属柱的第八通孔，第二驱动金属线的第三中间端通过第七通孔的金属柱与第二连接线的一端连接，第二驱动金属线的第四中间端通过第八通孔的金属柱与第二连接线的另一端连接；牺牲层中设有含有金属柱的第九通孔，氮化硅层中设有含金属柱的第十通孔，底电极层通过第九通孔、金属层和第十通孔与第七焊盘连接。

进一步，所述的第一电容和第二电容位于第一扭摆梁相对的两条边上，第一电容和第二电容均不与第一支撑梁连接在第一扭摆梁的同一边上。

进一步，所述的第一电容和第二电容位于第一扭摆梁的底面边缘中心，第一电容和第二电容处于同一条直线上，且对称分布。

进一步，所述的第三电容和第四电容位于第二扭摆梁相对的两条边上，第三电容和第四电容均不与第二支撑梁连接在第二扭摆梁的同一边上。

进一步，所述的第三电容和第四电容位于第二扭摆梁的底面边缘中心，第三电容和第四电容处于同一条直线上，且对称分布。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.结构简单，可以实现磁场幅度和角度的测量。本发明的双扭摆式的微机电磁场传感器，利用两个扭摆结构能分别感应相互垂直的磁场作用，这样可以实现两个磁场方向运动幅度可以比拟，通过从第一电容、第二电容、第三电容和第四电容变化关系从而可以得到磁场方向，同时可以得到磁场的幅度。

2.功耗小、性能可靠。本发明利用测量两个扭摆梁的位移，来测量磁场的方向。整个测量过程中所用的电流为直流电，另外，本发明将金属线布设避免了相互作用力的抵消，在同样的磁场条件下，弯曲板受力最大产生的位移也最大，因此功耗小。另外，电容检测受外界环境影响较小，相对热驱动的传感器而言，本磁场传感器用洛伦兹力相对比较容易驱动，性能可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中的a-a剖面图。   

图3是图1中的b-b剖面图。

图4是图1中的c-c剖面图。

图5是图1中的d-d剖面图。

图6是图1中的e-e剖面图。

图7是图1中的f-f剖面图。

图中有：第一扭摆梁1、第一支撑梁2、第二扭摆梁3、第二支撑梁4、第一电容5、第二电容6、第三电容7、第四电容8、第一驱动金属线9、第二驱动金属线10、底电容11、衬底12、底电极层13、牺牲层14、金属层15、氮化硅层16、锚区17、第三中间端18、第四中间端19、第一中间端20、第二中间端21、第一连接线22、第二连接线23、第一电容引线51、第二电容引线61、第三电容引线71、第四电容引线81、第一焊盘52、第二焊盘62、第三焊盘72、第四焊盘82、第五焊盘92、第六焊盘102、第七焊盘112、第一通孔53、第二通孔63、第三通孔73、第四通孔83、第五通孔93、第六通孔94、第七通孔103、第八通孔104、第七焊盘112、第十通孔113、第九通孔114。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图7所示，本发明的一种双扭摆式微机电磁场传感器，包括从下向上依次叠加设置的衬底12、底电极层13、牺牲层14、金属层15和氮化硅层16。牺牲层14、金属层15和氮化硅层16均为中空结构。氮化硅层16的顶面设有锚区17。锚区17一边设有第二焊盘62、第四焊盘82和两个第五焊盘92，锚区17另一边设有第一焊盘52、第三焊盘72、第十焊盘112和两个第六焊盘102。氮化硅层16的中部设有第一扭摆梁1。第一扭摆梁1通过两个第一支撑梁2与锚区17固定连接。第一扭摆梁1和第一支撑梁2处于悬空状态。第一扭摆梁1的内侧设有第二扭摆梁3，第二扭摆梁3通过两个第二支撑梁4与第一扭摆梁1的内壁固定连接。第二扭摆梁3和第二支撑梁4处于悬空状态。第一扭摆梁1边缘和第二扭摆梁2边缘布设有第一驱动金属线9和第二驱动金属线10。第一扭摆梁1的底面设有第一电容5和第二电容6。第一扭摆梁1的顶面设有第一电容引线51和第二电容引线61。第二扭摆梁3的底面设有第三电容7和第四电容8，第二扭摆梁3的顶面和第一扭摆梁1的顶面设有第三电容引线71和第四电容引线81。第一扭摆梁1中设有含金属柱的第一通孔53和含金属柱的第二通孔63，第一电容5通过第一通孔53与第一电容引线51的一端连接，第一电容引线51的另一端与第一焊盘52连接。第二电容6通过第二通孔63与第二电容引线61的一端连接，第二电容引线61的另一端与第二焊盘62连接。第二扭摆梁3中设有含金属柱的第三通孔73和含金属柱的第四通孔83，第三电容7通过第三通孔73与第三电容引线71的一端连接，第三电容引线71另一端与第三焊盘72连接。第四电容8通过第四通孔83与第四电容引线81一端连接，第四电容引线81另一端与第四焊盘82连接；第一驱动金属线9的两端分别与一个第五焊盘92连接，

第一扭摆梁1上设有含金属柱的第五通孔93和含金属柱的第六通孔94，第一驱动金属线9的第一中间端20通过第五通孔93的金属柱与第一连接线22的一端连接，第一驱动金属线9的第二中间端21通过第六通孔94的金属柱与第一连接线22另一端连接。第二驱动金属线10的两端分别与一个第六焊盘102连接，第一扭摆梁1上设有含金属柱的第七通孔103和含金属柱的第八通孔104，第二驱动金属线10的第三中间端18通过第七通孔103的金属柱与第二连接线23的一端连接，第二驱动金属线10的第四中间端19通过第八通孔104的金属柱与第二连接线23的另一端连接。牺牲层14中设有含有金属柱的第九通孔114，氮化硅层16中设有含金属柱的第十通孔113，底电极层13通过第九通孔114、金属层15和第十通孔113与第七焊盘112连接。

进一步，所述的第一电容5和第二电容6位于第一扭摆梁1相对的两条边上，第一电容5和第二电容6均不与第一支撑梁2连接在第一扭摆梁1的同一边上。这样两个电容分布，在横向磁场作用下发生扭转时，电容所处的位置扭转位移最大，这样电容的变化也最大，提高横向磁场测量的灵敏度。

进一步，所述的第一电容5和第二电容6位于第一扭摆梁1的底面边缘中心，第一电容5和第二电容6处于同一条直线上，且对称分布。这样两个电容对称分布，在横向磁场作用下发生扭转时，一些相同分量才可以抵消，留下绝对的差值，减小误差。

进一步，所述的第三电容7和第四电容8位于第二扭摆梁3相对的两条边上，第三电容7和第四电容8均不与第二支撑梁4连接在第二扭摆梁3的同一边上。这样两个电容分布，在纵向磁场作用下发生扭转时，电容所处的位置扭转位移最大，这样电容的变化也最大，提高纵向此处测量的灵敏度。

进一步，所述的第三电容7和第四电容8位于第二扭摆梁3的底面边缘中心，第三电容7和第四电容8处于同一条直线上，且对称分布。这样两个电容对称分布，在纵向磁场作用下发生扭转时，一些相同分量才可以抵消，留下绝对的差值，减小误差。进一步，为减小驱动金属线在第一扭摆梁1和第二扭摆梁3之间相互作用，所述的驱动金属线在两个扭摆梁中尽量处于相对较远的位置，这样就能使电容所处的位置位移尽可能大，提高灵敏度。

该结构的磁场传感器工作过程是：如图1所示，在磁场传感器的第一驱动金属线9、第二驱动金属线10中施加一个任意的直流电流，在磁场作用下，结构会发生变形，测量第一电容5、第二电容6、第三电容7和第四电容8的电容变化。第一电容5和第二电容6位于第一扭摆梁1的底面边缘中心，第一电容5和第二电容6处于同一条直线上，且对称分布。在横向磁场B_H （B_H为磁场的横向分量）的作用下，第一驱动金属线9和第二驱动金属线10中（假设电流是顺时针方向）就会受磁场力的作用，第一电容5在第一扭摆梁1所处的位置就会向下弯曲，电容变小，第二电容6在第一扭摆梁1所处的位置就会向上弯曲，电容变大。由于第三电容7和第四电容8处于第二扭摆梁3外侧中心，电容不会发生变化。这样可以得到第一电容5和第二电容6变化的绝对值是相等的，由电容变化可以得到弯曲量，进而可以根据第一扭摆梁1的扭转系数，得到第一扭摆梁1的受力从而得到横向磁场B_H的值。并且，通过第一电容5和第二电容6的电容变化量，可以得到横向磁场的方向。

同样，第三电容7和第四电容8位于第二扭摆梁3的底面边缘中心，第三电容7和第四电容8处于同一条直线上，且对称分布。在纵向磁场B_V（B_V为磁场的横向分量）的作用下，第一驱动金属线9和第二驱动金属线10中（假设电流是顺时针方向）就会受磁场力的作用，第四电容8在第二扭摆梁3所处的位置就会向下弯曲，电容变小，第三电容7在第二扭摆梁3所处的位置就会向上弯曲，电容变大。这样可以得到第三电容7和第四电容8变化的绝对值是相等的，电容变化可以得到弯曲量，进而可以根据第二扭摆梁3的扭转系数，得到第二扭摆梁3的受力从而得到纵向磁场B_V的值。并且，通过第三电容7和第四电容8的电容变化量，可以得到纵向磁场的方向。这样可以得到磁场方向和大小。