專利名稱：一種易于封裝的磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種易于封裝的磁場傳感器。
背景技術(shù)：
磁場傳感器有著悠久的歷史，指南針的實用新型，到現(xiàn)在有著更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，智能通訊、交通導(dǎo)航、數(shù)據(jù)存儲等都需要使用磁場傳感器。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，大大推動了 MEMS磁場傳感器的發(fā)展，出現(xiàn)了一些微型磁場傳感器的結(jié)構(gòu)，硅技術(shù)的大批量制造使得昂貴的設(shè)計制造成本得到了極大的降低，同時新發(fā)展的MEMS工藝能夠在硅襯底上利用IC后處理工藝制作各種機械結(jié)構(gòu)，為磁·場傳感器的設(shè)計開辟了新的途徑。近年來，實現(xiàn)了一些MEMS微磁場傳感器的結(jié)構(gòu)，如法國的 Vincent Beroulle、Laurent Latorre 通過測量壓阻的輸出檢測磁場；Beverley Eyre等人設(shè)計的扭擺式MEMS磁場傳感器，測量在磁場作用下受力后結(jié)構(gòu)扭擺的幅度，來測量磁場的大??；R. Sunier提出的諧振式磁場傳感器，通過測量諧振頻率來測量磁場；諧振式磁場傳感器，包括一個兩端有間隙的磁聚能器，制作的材料需要使用軟磁材料。這些磁場傳感器只能測量磁場的大小。磁場傳感器的封裝對傳感器性能有著重要的影響，由于金屬線在磁場作用下能夠受到洛侖茲力的作用，不恰當(dāng)?shù)囊€可能會引起導(dǎo)線的相互作用，影響傳感器的性能。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種易于封裝的磁場傳感器，該磁場傳感器封裝方便，能夠降低引線對傳感器性能的影響。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種易于封裝的磁場傳感器，該磁場傳感器包括四個懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)、第一支撐柱、金屬層、氧化硅膜層和硅膜層，懸臂梁錨區(qū)固定在第一支撐柱的頂面；四個懸臂梁呈十字形，固定在懸臂梁錨區(qū)的側(cè)壁上；每個懸臂梁的頂面設(shè)有一圈金屬線，懸臂梁錨區(qū)和第一支撐柱中設(shè)有八個連接通孔，金屬層通過連接通孔與金屬線連接；氧化硅膜層固定在硅膜層的頂面，金屬層固定在氧化硅膜層的頂面，第一支撐柱固定在金屬層的頂面；焊盤為八個，八個焊盤位于懸臂梁的外側(cè)，焊盤和金屬層之間設(shè)有第二支撐柱，第二支撐柱中設(shè)有連接孔，金屬層通過連接孔與傳感器的焊盤連接。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果I.結(jié)構(gòu)簡單，能同時實現(xiàn)磁場方向和幅度測量。本實用新型是用于測量磁場方向和幅度的磁場傳感器，該傳感器以襯底為平面，在襯底上方設(shè)有懸臂梁、金屬線、錨區(qū)。采用對稱結(jié)構(gòu)，屬于平衡振動，振型相對比較干凈，在相同受力的情況下會增加結(jié)構(gòu)的運動位移。當(dāng)該傳感器處于磁場中時，懸臂梁上金屬線受洛倫茲力的作用產(chǎn)生振動，在兩種不同振動形式可以測量得到懸臂梁不同磁場方向下的位移，得到不同的磁場分量，從而達(dá)到測量磁場方向的目的，進(jìn)而可以測量磁場幅度。所取的測量點是梁邊緣的對于Pl對稱的1/4和3/4處，測量該兩點的值后取平均，可以消除受力引起的扭轉(zhuǎn)因素，利于測量的準(zhǔn)確性。本實用新型利用金屬線加上交流信號感應(yīng)出洛倫茲力來驅(qū)動懸臂梁的十字梁結(jié)構(gòu)，采用對稱結(jié)構(gòu)，屬于平衡振動，在相同受力的情況下會增加結(jié)構(gòu)的運動位移。本實用新型對所測量點的位置測量可以采用光學(xué)的方法得到，也可以采用電容的方法得到。2.功耗小、靈敏度高、精度高、受溫度影響小、性能可靠。本實用新型利用測量不同振動下懸臂梁的位移，來測量磁場的方向。整個測量過程中電流很小，功耗低。另外，本實用新型將金屬線設(shè)于懸臂梁四周。這樣，在同樣的磁場條件下，懸臂梁受力最大而振動幅度也最大，因此功耗小，其靈敏度和精度較高。相對熱驅(qū)動的傳感器而言，本磁場傳感器用洛倫茲力相對比較容易驅(qū)動，受溫度影響小。同時，本磁場傳感器中，只要有磁場和電流存在，懸臂梁就會產(chǎn)生振動，性能可靠。3.能減小封裝引線對傳感器的影響。傳感器上的焊盤與引線連接，焊盤設(shè)置在懸臂梁的外側(cè)，這樣，引線失效對傳感器懸臂梁不會造成影響。將傳感器結(jié)構(gòu)與封裝的引線分開，能減小封裝引線對傳感器的影響，防止引線由于受到磁場力作用，引起坍塌，從而導(dǎo)致與磁場傳感器表面金屬線碰撞引起短路，或者與金屬線連接后減小起作用的金屬線的長 度，影響磁場傳感器的有效作用力，降低傳感器的性能。4.將與引線連接的焊盤設(shè)置在懸臂梁的外側(cè)，減小了引線的長度，能夠減小引線在磁場中受力的作用，減小功耗。5.將與引線連接的焊盤設(shè)置在懸臂梁的外側(cè)，減低了引線的高度，減小與外封裝殼接觸的風(fēng)險，性能更加可靠。

圖I是本實用新型的俯視圖，其中，位于最外側(cè)的實線框和位于中部的實線框之間是錨區(qū)。圖2是本實用新型的縱向剖視圖。圖中有連接通孔I、金屬線2、懸臂梁3、焊盤4、連接孔41、懸臂梁錨區(qū)5、第一支撐柱6、金屬層7、氧化娃膜層8、娃膜層9。
具體實施方案
以下結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖I和圖2所示，本實用新型的一種易于封裝的磁場傳感器，包括四個懸臂梁
3、懸臂梁錨區(qū)5、第一支撐柱6、金屬層7、氧化硅膜層8和硅膜層9，懸臂梁錨區(qū)5固定在第一支撐柱6的頂面。第一支撐柱6呈柱狀，且由氧化硅制成。四個懸臂梁3呈十字形，固定在懸臂梁錨區(qū)5的側(cè)壁上；每個懸臂梁3的頂面設(shè)有一圈金屬線2，懸臂梁錨區(qū)5和第一支撐柱6中設(shè)有八個連接通孔I。每個連接通孔I中設(shè)有第一金屬柱，第一金屬柱將金屬線2的端部和金屬層7連接。氧化硅膜層8固定在硅膜層9的頂面，金屬層7固定在氧化硅膜層8的頂面。第一支撐柱6固定在金屬層7的頂面。焊盤4為八個，八個焊盤4位于懸臂梁3的外側(cè)，焊盤4和金屬層7之間設(shè)有第二支撐柱，第二支撐柱中設(shè)有連接孔41，連接孔41中設(shè)有第二金屬柱，該第二金屬柱將焊盤4與金屬層7連接。金屬層7上設(shè)有八個第一金屬柱和八個第二金屬柱。每個第一金屬柱與一個連接通孔I相配合，第一金屬柱與金屬線2連接。每個第二金屬柱與一個連接孔41相配合，第二金屬柱與焊盤4連接。焊盤4分布在傳感器結(jié)構(gòu)的外側(cè)，如圖I所示，焊盤4分布在最外側(cè)的實線框和中部的實線框之間。這樣，焊接4引線的時候不足要跨接在傳感器結(jié)構(gòu)的上方，這樣傳感器的結(jié)構(gòu)的運動就不會受到傳感器引線的影響，不至于由于結(jié)構(gòu)運動與傳感器的引線連接在一起，引起短路。同時，引線接在傳感器的外側(cè)，這樣引線的跨接高度不會太高，不會與外殼接觸，降低了封裝的要求。進(jìn)一步，懸臂梁3和懸臂梁錨區(qū)5為整體式結(jié)構(gòu)，且均由氮化硅制成。該磁場傳感器的工作過程是如圖I中，在傳感器中施加一個任意的正弦電流，測量橫向懸臂梁以及縱向懸臂梁上的兩點的位移。測量點為每個橫向懸臂梁邊緣或縱向懸臂梁邊緣的1/4和3/4處，即兩點相對于懸臂梁邊緣中點對稱，例如圖I中的Pl點和P2點，P3點和P4點。在橫向磁場Bh的作用下，橫向懸臂梁上的金屬線和金屬線不受力的作用，而金屬線受到洛侖茲力的作用，力的方向垂直紙面，這樣橫向懸臂梁就會產(chǎn)生位移，而對于 縱向的磁場Bv，金屬線和金屬線受到洛侖茲力的作用，力的方向垂直紙面，且作用的方向相反，這樣橫向懸臂梁就會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而金屬線不受力的作用，綜合這兩個方向磁場的作用，橫向的懸臂梁會發(fā)生扭轉(zhuǎn)以及彎曲，取橫向懸臂梁邊緣的1/4和3/4處兩點的位移相加，再平均，可以消除由于扭轉(zhuǎn)引起的不平衡運動，得到的位移僅僅是橫向懸臂梁受橫向磁場的作用。同理，縱向懸臂梁邊緣1/4和3/4處兩點的位移相加，再平均，得到的位移僅僅是縱向懸臂梁受縱向磁場的作用。由此，橫向懸臂梁的位移和縱向懸臂梁的位移為整個磁場的分量，按照正交原理，可以得到磁場的方向和幅度。在圖I中，B表不任意方向的一個磁場，Bh表不磁場水平方向的分量，Bv表不磁場垂直方向的分量。上述結(jié)構(gòu)的磁場傳感器的制備過程是利用微機械加工技術(shù)硅片氧化形成氧化硅膜層8，接著濺射金屬，并圖形化，涂覆一層硅，然后濺射一層氮化硅，然后再在其表面濺射金屬Al表面并光刻形成金屬線2，最后通過腐蝕釋放結(jié)構(gòu)形成懸臂梁3。金屬線2可用蒸發(fā)或電鍍的方法鍍于懸臂梁3的上表面，也可以用濺射的方法在上述位置布置金屬線2。當(dāng)采用磁場力激勵方式使懸臂梁3振動時，需要在金屬線2與第一支撐柱6之間設(shè)有絕緣層，本例中采用氮化硅膜層為絕緣層。金屬線2的材質(zhì)可以為鋁、銀等導(dǎo)電金屬。
權(quán)利要求1.一種易于封裝的磁場傳感器，其特征在于，該磁場傳感器包括四個懸臂梁(3)、懸臂梁錨區(qū)(5)、第一支撐柱(6)、金屬層(7)、氧化硅膜層(8)和硅膜層(9)，懸臂梁錨區(qū)(5)固定在第一支撐柱(6)的頂面；四個懸臂梁(3)呈十字形，固定在懸臂梁錨區(qū)(5)的側(cè)壁上；每個懸臂梁(3)的頂面設(shè)有一圈金屬線(2)，懸臂梁錨區(qū)(5)和第一支撐柱(6)中設(shè)有八個連接通孔(I)，金屬層(7)通過連接通孔(I)與金屬線(2)連接；氧化硅膜層(8)固定在硅膜層(9)的頂面，金屬層(7)固定在氧化硅膜層(8)的頂面，第一支撐柱(6)固定在金屬層(7)的頂面；焊盤(4)為八個，八個焊盤(4)位于懸臂梁(3)的外側(cè)，焊盤(4)和金屬層(7)之間設(shè)有第二支撐柱，第二支撐柱中設(shè)有連接孔(41)，金屬層(7)通過連接孔(41)與傳感器的焊盤(4)連接。
2.按照權(quán)利要求I所述的易于封裝的磁場傳感器，其特征在于，所述的第一支撐柱(6)呈柱狀，且由氧化硅制成。
3.按照權(quán)利要求I所述的易于封裝的磁場傳感器，其特征在于，所述的懸臂梁(3)和懸臂梁錨區(qū)(5)為整體式結(jié)構(gòu)，且均由氮化硅制成。
專利摘要本實用新型公開了一種易于封裝的磁場傳感器，該磁場傳感器包括四個懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)、第一支撐柱、金屬層、氧化硅膜層和硅膜層，懸臂梁錨區(qū)固定在第一支撐柱的頂面；四個懸臂梁呈十字形，固定在懸臂梁錨區(qū)的側(cè)壁上；每個懸臂梁的頂面設(shè)有一圈金屬線，懸臂梁錨區(qū)和第一支撐柱中設(shè)有八個連接通孔，金屬層通過連接通孔與金屬線連接；氧化硅膜層固定在硅膜層的頂面，金屬層固定在氧化硅膜層的頂面，第一支撐柱固定在金屬層的頂面；焊盤為八個，八個焊盤位于懸臂梁的外側(cè)，焊盤和金屬層之間設(shè)有第二支撐柱，第二支撐柱中設(shè)有連接孔，金屬層通過連接孔與傳感器的焊盤連接。該磁場傳感器封裝方便，能夠降低引線對傳感器性能的影響。
文檔編號B81B3/00GK202710738SQ20122033138
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者陳潔, 黃慶安, 秦明 申請人:東南大學(xué)