專利名稱：Mems水平諧振式磁強計的制作方法
技術領域：
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背景技術：
磁強計是用來測量周圍環(huán)境磁場強度的傳感器，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、生 物、醫(yī)療、航空航天等領域有著廣泛的應用。隨著技術的進步和需求的不斷提 高，磁強計也向著微型化、低功耗、低成本、高靈敏度等方向發(fā)展。
MEMS (Micro Electro-Mechanical System,微機電系統(tǒng))水平諧振式磁 強計是一種采用MEMS微加工技術制作的微型磁強計，采用水平諧振式敏感 結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、精度高、功耗低、成本低、工藝簡單等優(yōu)點， 具有良好的發(fā)展前景。其工作原理是利用通電導線在磁場中產(chǎn)生的洛侖茲力 來檢測磁場強度的大小。在懸臂梁中通過一定頻率的交變電流，其頻率等于 懸臂梁的諧振頻率，這樣，當外界有磁場時，懸臂梁中的電流將受到洛侖茲 力的作用使懸臂梁產(chǎn)生振動，其振幅和外界磁場強度的大小成正比關系，使 用電容來檢測振幅的大小，即可得到磁場強度的信息。
MEMS水平諧振式磁強計的性能受溫度影響較小，其一項重要的應用是在 飛行器、車輛和船只的姿態(tài)控制領域。通過在需要控制的物體的合適位置安裝 3個正交的磁強計，可以獲得各個方向上的磁場強度分量信息，并與IGRF (International Geomagnetic Reference Field，國際地磁參考場)模型中該位置地 球磁場強度的大小和方向信息相比對，即可得到被測物體的姿態(tài)信息。隨著衛(wèi)星技術尤其是微小衛(wèi)星技術的不斷發(fā)展，對微型磁強計的需求也變得越來越強 烈，使用MEMS技術制作的微型磁強計也得到越來越廣泛的關注。
目前，MEMS微型磁強計從原理上分，主要有霍爾效應式磁強計、磁致 電阻式磁強計、磁通門式磁強計和基于洛倫茲力的諧振式磁強計等。其中磁 致電阻式和霍爾效應式磁強計不適合微弱磁場的檢測。磁通門式雖然適合弱 磁場的檢測，但由于尺寸的降低會直接引起靈敏度的降低，已不能適應各領 域發(fā)展的要求。而諧振式磁強計能夠充分利用硅材料良好的機械學特性，具 有靈敏度高和精度高的特點，且不易受到溫度變化的影響，并且結(jié)構(gòu)相對簡 單，加工難度小，具有明顯的優(yōu)勢。
MEMS諧振式磁強計分為扭擺式和水平式兩種，例如近幾年清華大學研制 的扭擺式MEMS磁強計，其利用通有交流電流的金屬線圈在被測磁場中受到 交變洛侖茲力的作用，該洛侖茲力使可動結(jié)構(gòu)處于繞扭梁扭轉(zhuǎn)的諧振狀態(tài)，導 致扭擺線圈與玻璃基底上金屬極板之間的電容值產(chǎn)生交流變化，通過檢測電容 變化幅值得到磁場強度的信息。該結(jié)構(gòu)由于具有多層線圈，在加工工藝上較為 復雜，并且扭擺極板和基底金屬板之間的距離與電容值是反比關系，量程和靈 敏度受到限制，加上扭擺的電容變化呈非線性，因此其性能受到一定制約。
MEMS水平諧振式檢測原理類似于扭擺式，但諧振梁的振動方式改為在 水平方向上，因而具有更高的靈敏度和更好的線性度，并且沒有立體制作的 導線線圈和磁性材料，加工相對容易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，解決現(xiàn)有MEMS諧振式磁強計的線性度低和加工難 度大的問題。
本發(fā)明的技術方案是， 一種MEMS水平諧振式磁強計，包含表頭芯片， 其特征是所述表頭芯片由硅片和玻璃基底通過硅-玻璃陽極鍵合方式制作在玻璃基底表面；
所述硅片由可動結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)組成，其中，可動結(jié)構(gòu)包括3個諧振梁和 2或4組對稱的梳齒電容極板；固定結(jié)構(gòu)包括2或4組固定于玻璃基底的梳齒 電容極板；
所述諧振梁上表面制作有和諧振梁形狀相同的SiNx絕緣層； 所述SiNx絕緣層上表面制作有和SiNx絕緣層形狀相同的金屬導線層； 所述可動結(jié)構(gòu)的梳齒電容極板與所述固定結(jié)構(gòu)的梳齒電容極板一一對應， 構(gòu)成差動電容；
所述玻璃基底表面通過濺射方式制作10個金屬極板用作檢測電容的導線 引腳；
所述金屬極板的寬大部分壓焊引出IO根電容檢測導線，用于對電容變化 量進行檢測；
所述金屬導線層兩側(cè)寬大部分通過壓焊引出驅(qū)動電流導線，用于通過驅(qū)動 電流。
所述硅片采用低阻硅制成。
所述可動結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)厚度相同，都采用ICP工藝制作。 所述SiNx絕緣層材料為氮化硅，并通過淀積的方式制作在可動結(jié)構(gòu)的上 表面。
所述金屬導線層材料為金或鋁，并通過淀積或者電鍍的方式制作在SiNx 絕緣層的上表面。
本發(fā)明的表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層次分明，且各層之間無交叉和立體結(jié)構(gòu)，便 于加工；同時，相比于扭擺諧振式磁強計，本發(fā)明具有更好的線性度和可擴展 性。


6圖1是MEMS水平諧振式磁強計表頭芯片內(nèi)部玻璃基底立體圖。 圖2是MEMS水平諧振式磁強計表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是MEMS水平諧振式磁強計工作原理圖。
圖4是MEMS水平諧振式磁強計表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層次放大示意圖。 圖5是諧振梁形狀方案示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅 僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
本發(fā)明提出的MEMS水平諧振式磁強計，其表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)由硅片和 玻璃基底兩部分鍵合而成。圖1是MEMS水平諧振式磁強計表頭芯片內(nèi)部玻 璃基底立體圖。圖1中顯示的表面是玻璃基底的鍵合面，上面通過濺射方式 制作了 10個金屬極板4用作檢測電容的導線引腳。圖2是MEMS水平諧振 式磁強計表頭芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，硅片部分主要材料為低阻硅，通過硅-玻璃 陽極鍵合方式制作在玻璃基底3上，由可動結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)組成。其中，可 動結(jié)構(gòu)包括3個諧振梁1和2或4組對稱的梳齒電容極板構(gòu)成的梁結(jié)構(gòu)，固 定結(jié)構(gòu)2包括2或4組固定于玻璃基底的梳齒電容極板。在諧振梁1的上表 面，制作有和諧振梁形狀相同的金屬導線層5。
圖3是MEMS水平諧振式磁強計工作原理圖。圖3中，可動結(jié)構(gòu)的梳齒 電容極板和固定結(jié)構(gòu)2的梳齒電容極板對應構(gòu)成差動電容。在諧振梁1中通 以電流，這樣，當有方向與諧振梁l正交的外加磁場作用時，諧振梁l將受 到沿x方向的洛倫茲力的作用而產(chǎn)生形變。若在諧振梁1中通以交變電流， 那么諧振梁1將產(chǎn)生在x方向上的振動。當通過的電流頻率和諧振梁的一階 諧振頻率相等時，該振動的振幅將被放大Q (品質(zhì)因數(shù))倍而易于檢測。當 電流強度的大小一定時，該振動的振幅將于外加磁場的強度成正比。該振動將引起可動結(jié)構(gòu)的梳齒電容極板和固定結(jié)構(gòu)2的梳齒電容極板間距的變化， 進而引起兩者之間電容的變化，通過檢測電容的變化量，即可得到外加磁場 強度的信息。通過將固定結(jié)構(gòu)2對稱擺放，可采用差動的方式檢測電容的變 化量，從而減少小電容變化時產(chǎn)生的共模噪聲。
本發(fā)明的電容檢測部分和驅(qū)動電流要進行隔離以避免短路，因此采用絕緣
層立體引線的方式制作。圖4是MEMS水平諧振式磁強計表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 層次放大示意圖。圖4中，玻璃基底3上直接鍵合硅片7，硅片7與濺射在玻 璃基底3上的金屬極板4相連接。封裝時，通過在金屬極板4的寬大部分壓焊 引出IO根導線用于對電容變化量進行檢測。在硅片7的上表面，通過濺射的 方式制作SiNx絕緣層6，其形狀與金屬導線層5相同，SiNx絕緣層6的材料 為氮化硅，用于隔離驅(qū)動電流和檢測電容。在SiNx絕緣層6上表面通過濺射 或電鍍的方式制作金屬導線層5，其形狀與SiNx絕緣層6相同，并完全與硅片 7隔離。金屬導線層5的材料為金或鋁。封裝時，在其兩側(cè)寬大部分通過壓焊 引出導線，用于通過驅(qū)動電流。表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分采用SOG (Silicon on Glass) MEMS工藝制作，之后通過封裝制作。具體步驟為
1) 在玻璃基底3上通過剝離工藝制作Au金屬極板。
2) 在低阻硅片7上刻蝕出臺階，用于鍵合使用。
3) 硅片7與玻璃基底3進行硅-玻璃陽極鍵合，并減薄到一定厚度。
4) 在低阻硅片7正面淀積SiNx絕緣層6。
5) 在SiNx絕緣層6上表面濺射Au金屬層，并圖形化金屬層，制作金屬 導線層5。
6) 圖形化SiNx絕緣層6。
7) ICP刻蝕低阻硅片7，制作諧振梁1和固定極板2，并釋放可動結(jié)構(gòu)。 如圖2所示，本實施例的梳齒電容極板個數(shù)為10個X4對，為提高或降
低檢測靈敏度，可采用更多或更少的梳齒電容的數(shù)量。圖2所示諧振梁1為直梁形狀，為減小可動部件系統(tǒng)剛度，諧振梁l可采用其他形狀。圖5是諧
振梁形狀方案示意圖，圖5中，圖5 (a)為圖2中采用的直梁形狀，采用如 圖5 (b)中的"回"字形狀或圖5 (c)中的"S"形狀或者圖5 (d)中的折 疊梁結(jié)構(gòu)制作諧振梁1可在不增加磁強計體積的情況下大大降低可動部件的 系統(tǒng)剛度，提高靈敏度。
本發(fā)的優(yōu)點在于，結(jié)構(gòu)簡單，無需磁性材料，加工難度低。另外，表頭芯 片內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為4層，層次分明，且各層之間無交叉和立體結(jié)構(gòu)，便于加工。 相比于扭擺諧振式磁強計，本發(fā)明具有更好的線性度和可擴展性。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1、一種MEMS水平諧振式磁強計，包含表頭芯片，其特征是所述表頭芯片由硅片和玻璃基底通過硅-玻璃陽極鍵合方式制作在玻璃基底表面；所述硅片由可動結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)組成，其中，可動結(jié)構(gòu)包括3個諧振梁和2或4組對稱的梳齒電容極板；固定結(jié)構(gòu)包括2或4組固定于玻璃基底的梳齒電容極板；所述諧振梁上表面制作有和諧振梁形狀相同的SiNx絕緣層；所述SiNx絕緣層上表面制作有和SiNx絕緣層形狀相同的金屬導線層；所述可動結(jié)構(gòu)的梳齒電容極板與所述固定結(jié)構(gòu)的梳齒電容極板一一對應，構(gòu)成差動電容；所述玻璃基底表面通過濺射方式制作10個金屬極板用作檢測電容的導線引腳；所述金屬極板的寬大部分壓焊引出10根電容檢測導線，用于對電容變化量進行檢測；所述金屬導線層兩側(cè)寬大部分通過壓焊引出驅(qū)動電流導線，用于通過驅(qū)動電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS水平諧振式磁強計，其特征是所述硅 片采用低阻硅制成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS水平諧振式磁強計，其特征是所述可 動結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)厚度相同，都采用ICP工藝制作。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS水平諧振式磁強計，其特征是所述 SiNx絕緣層材料為氮化硅，并通過淀積的方式制作在可動結(jié)構(gòu)的上表面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS水平諧振式磁強計，其特征是所述金屬導線層材料為金或鋁，并通過淀積或者電鍍的方式制作在SiNx絕緣層的上表 面，用于承載交變電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了傳感器制造技術領域中的一種MEMS水平諧振式磁強計。技術方案是，MEMS水平諧振式磁強計的表頭芯片由硅片和玻璃基底組成，硅片通過硅-玻璃陽極鍵合方式制作在玻璃基底表面；硅片由可動結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)組成，可動結(jié)構(gòu)包括3個諧振梁和2或4組對稱的梳齒電容極板；固定結(jié)構(gòu)包括2或4組固定于玻璃基底的梳齒電容極板；諧振梁上表面制作有SiNx絕緣層；SiNx絕緣層上表面制作有金屬導線層；玻璃基底表面制作10個金屬極板；金屬極板的寬大部分壓焊引出10根電容檢測導線；金屬導線層兩側(cè)寬大部分通過壓焊引出驅(qū)動電流導線。本發(fā)明的表頭芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層次分明，便于加工；并且具有更好的線性度和可擴展性。
文檔編號B81C99/00GK101475139SQ20091007717
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者政 尤, 楊建中, 胡穆之 申請人:清華大學