基于永磁薄膜的MEMS磁传感器设计与制作*

， 钟少，

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 传感技术国家重点实验室,上海 200050;2.中国科学院大学 微系统与信息技术学院，上海 200050)

0 引 言

磁传感器是指能将磁信号转换为电信号、光信号等便于检测的物理量的装置。磁传感器应用广泛，可用于智能交通、医疗、探矿、电子罗盘等多种场合[1～4]。与传统磁传感器相比，MEMS磁传感器具有体积小、成本低、功耗低、可批量化生产等特点，其研究已引起了广泛的关注。

在种类众多的MEMS磁传感器中，基于磁性薄膜的MEMS磁传感器由于其工作时探头不需要激励，可以降低MEMS磁传感器的功耗，因此，发展成为一类重要的MEMS磁传感器。文献[5]中研制的磁传感器分辨率达到0.2 μT。该类MEMS磁传感器中，产生磁力的磁体与微机械结构结合在一起，工作时无需将其激励到谐振状态，因此，也无需对探头进行真空封装，可大幅降低磁传感器的制作成本。

用于制作MEMS磁传感器的磁性薄膜，常使用软磁薄膜。软磁薄膜的矫顽力低，剩磁小，在受到较强外磁场的干扰时，容易改变其磁化方向，造成MEMS磁传感器的性能下降甚至失效。永磁薄膜矫顽力大，剩磁高，用于制作MEMS磁传感器，可提高磁传感器的灵敏度和分辨率，并且薄膜性能不易受外界磁场干扰，所以，磁传感器性能更加稳定。但永磁薄膜的制作工艺复杂，与传统MEMS工艺兼容性差，如需对薄膜的成分配比进行严格控制、大多数永磁薄膜需进行高温退火，且需要丰富的工艺经验，现在大多采用黏贴永磁体的方法来制作磁传感器[6]。

本文提出了一种基于CoNiMnP永磁薄膜的双端固支式磁扭摆的低功耗磁传感器。实验结果表明：该传感器的电容灵敏度达27.7 fF/mT,磁场分辨率达到36 nT。

1 MEMS磁传感器的设计

本文提出的MEMS磁传感器由MEMS磁扭摆和检测差分电容构成，MEMS磁扭摆由双端固支梁的硅薄膜上制作CoNiMnP永磁薄膜构成，器件原理结构如图1所示。MEMS磁传感器工作原理是：磁性薄膜受到与其磁矩方向正交的外磁场作用时将产生磁扭矩；在该磁扭矩作用下，MEMS磁扭摆将产生扭转运动，与硅弹性扭转梁弹性扭转力矩平衡，MEMS磁扭摆的扭转角度与外磁场对应；MEMS磁扭摆与位于衬底上的2个电极构成1对差分电容器，MEMS磁扭摆扭转的角度变化导致差分电容器的电容差值变化；通过电容检测电路检测差分电容器的电容差值，可以检测待测外磁场强度。

图1 基于永磁薄膜的MEMS磁传感器结构图

1.1 MEMS磁传感器工作原理

MEMS磁传感器的永磁薄膜进行垂直于平面内的磁化，磁化后的永磁薄膜可以与薄膜平面内垂直于扭转梁方向的磁场作用产生磁扭矩，产生的磁扭矩可以表示为[7]

(1)

(2)

其中,φ为扭转梁的扭转角度，kφ为扭转梁的等效弹簧系数。

(3)

可用差分电容检测的方法来检测磁扭摆的转角度,如图2所示，当扭转角度不大时，磁扭摆扭转引起的差分电容电容差值变化为[9]

(4)

图2 差分电容检测示意图

1.2 MEMS磁传感器的结构参数

本文的MEMS磁扭摆式磁场传感器的主要结构参数包括扭转梁的长、宽、高，磁性薄膜的长、宽、高及磁特性和差分电容的结构参数。在对这些参数进行选取时，主要考虑以下几个方面：1)磁扭摆扭转所产生的扭转梁应力不能过大；2)扭转梁扭转刚度系数设计的要尽量小，同时要满足器件检测带宽和抗震的要求；3)系统扭转模态应为MEMS磁扭摆的主要运动模态；4)磁性薄膜的剩磁强度要尽可能的强；5)在芯片面积一定的情况下，尽量增加检测电容的初始电容值；6)满足现有MEMS工艺条件的限制。

通过对器件参数进行结构优化，且充分考虑器件的工艺可实现性,可以得到如表1所示的器件结构参数。

图3为ANSYS软件模拟的MEMS磁扭摆系统的前五阶模态的振型。MEMS磁传感器结构为对称结构，其中，一阶模态为扭转模态；二阶模态为磁扭摆在平面内的平动模态；三阶模态为平面内的扭转模态；四阶模态为垂直于平面的振动模态；五阶模态也为扭转模态，但扭转方向与一阶模态扭转方向垂直。二～五阶模态频率远大于一阶模态频率，可认为该MEMS磁传感器对振动不敏感。

表1 MEMS磁传感器结构参数

图3 MEMS磁传感器前五阶模态振型

2 MEMS磁传感器的制作

MEMS磁传感器由SOI硅片和Pyrex 7740玻璃键合而成。SOI硅片用于实现微机械扭转结构，玻璃片支撑微机械结构，并在其上制作差分电容器的电极。MEMS磁传感器的工艺流程图如图4所示，具体工艺步骤如下：

a.首先，在(100)取向的n型SOI硅片上通过热氧化生长200 nm的SiO2。选用的SOI硅片顶层硅厚度为30 μm，埋层SiO2厚度为2 μm，衬底硅厚度为380 μm。

b.腐蚀形成磁扭摆的运动空间：光刻显影后，在SOI硅片的顶层硅上选择性地腐蚀SiO2。去胶后将硅片放入40 ℃、体积分数为24.6 %的KOH溶液中腐蚀约1 h，形成磁扭摆的运动空间，腐蚀深度约为5 μm。

c.在玻璃片上通过磁控溅射沉积厚度为0.5 μm的Al。

d.光刻后，在80 ℃的磷酸中腐蚀去掉多余的Al得到差分电容器的检测电极。

e.将SOI硅片上的图形与玻璃片上的图形进行对准，采用阳极键合工艺进行硅—玻璃键合，键合面为SOI硅片顶层硅与玻璃片沉积Al电极的一面。

f.将键合片在50 ℃、体积分数为24.6 %的KOH溶液中腐蚀约38 h，去除SOI硅片的衬底硅，随后用HF腐蚀去除埋层SiO2。

g.光刻显影后，在硅薄膜上通过电镀工艺沉积厚度为4 μm的CoNiMnP合金薄膜,并通过lift-off工艺图形化。

h.用光刻胶作掩模，深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)键合片上的硅薄膜，进行MEMS扭转结构释放，再去光刻胶，完成MEMS磁传感器的制作。

最终得到的MEMS磁传感器如图5所示，最终得到的MEMS磁传感器的芯片尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。

图4 MEMS磁传感器制作工艺流程图

图5 MEMS磁传感器SEM照片

3 MEMS磁传感器的测试

通过电镀沉积的CoNiMnP磁性薄膜厚度约为4 μm。CoNiMnP薄膜为一种永磁薄膜，可进行平面内磁化和垂直于平面内磁化。本文中对磁性薄膜进行了垂直于平面内的磁化，磁化后薄膜剩磁为0.15 T，矫顽力2 100 Oe。

MEMS磁传感器的测试在室温和无磁屏蔽环境下进行。直流电流源驱动电磁铁产生待测磁场，电流源调节电磁铁线圈中的电流可得到不同大小的磁场。首先利用商用霍尔磁传感器对磁场源定标：记录电流源输出电流与电磁铁产生磁场的关系；然后将MEMS磁传感器置于电磁铁的2个磁极之间，电磁铁的磁场方向平行于磁性薄膜表面并与扭转梁垂直，根据定标记录调整电流源输出，得到MEMS磁传感器差分电容电容差值变化与待测磁场的关系，如图6所示。

在图6中，由测试点拟合出的直线斜率可知，外磁场改变1 mT，电容差值大约变化27.7 fF，其电容检测灵敏度为27.7 fF/mT。假设电容检测电路能检测的最小电容变化为1 aF，可以推算出MEMS磁传感器能够分辨的最小磁场为36 nT。

图6 MEMS磁传感器的输出特性

4 结 论

本文设计和制作了一种基于CoNiMnP永磁薄膜

的MEMS磁传感器。永磁薄膜可以与外界磁场相互作用产生磁扭矩从而引起磁扭摆的扭转，扭转角度通过差分电容检测的方式进行检测，最终得到待测磁场的信息。本文中采用了CoNiMnP永磁薄膜作为磁敏感单元，永磁薄膜矫顽力大，在充磁后可保持其磁性，MEMS磁传感器工作时探头无需施加电流激励，可降低磁传感器的功耗。采用MEMS加工技术制作了MEMS磁传感器，最终得到的MEMS磁传感器尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。测试结果表明:得到的MEMS磁传感器的灵敏度为27.7 fF/mT，并具有良好的线性。根据现有的电容检测技术，传感器最小可分辨的磁场大小为36 nT。

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