磁場傳感器作為一種能夠?qū)⒋艌鲛D換為電信號的傳感器，如今被廣泛應用于地磁場測量、磁探傷以及醫(yī)療等多種場景下。隨著時代的發(fā)展，對于可方便攜帶且便于集成化的磁場傳感器的需求與日俱增。MEMS磁場傳感器相較于傳統(tǒng)傳感器，具有成本低、體積小，可與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，成為目前磁場傳感器研究的主要方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的研究人員提出了一種基于法拉第電磁感應定律的單片集成MEMS三軸磁場傳感器，為可與現(xiàn)有加速度計、陀螺儀等MEMS器件兼容制造的三軸MEMS磁場傳感器提供一種參考途徑。相關研究成果以論文形式發(fā)表于《傳感器與微系統(tǒng)》期刊。

器件設計

該研究設計的MEMS三軸磁場傳感器由3個獨立的裝置構成：對面外磁場的測量由2S梁耦合結構器件進行，對面內(nèi)磁場的測量由2個敏感軸相互垂直的扭轉框結構器件進行。所設計的磁場傳感器采用靜電推挽驅(qū)動，通過在諧振結構上施加直流偏置，并在梳齒驅(qū)動電極上施加交流驅(qū)動信號的方式進行工作。圖1分別展示了利用COMSOL Multiphysics 5.5軟件對兩種不同結構的器件建模仿真的結果。由圖1可知，對2S梁耦合結構，其所需的平面收縮擴張振動模態(tài)為106.27 kHz，對扭轉框結構，其所需的扭轉振動模態(tài)為14.305 kHz。

圖1 利用COMSOL軟件仿真得到的2S梁耦合結構和扭轉框結構的特征頻率與特征模態(tài)

器件制造

該研究中報道的MEMS磁場傳感器通過MEMS工藝制作得到，主要包含光刻、刻蝕、鍵合、濺射等工藝流程。制造過程的簡要工藝流程如圖2所示。首先，通過光刻與反應離子刻蝕（RIE）工藝，將對準標記刻蝕在襯底上，并將二氧化硅（SiO2）掩模制備在基底上；接著，通過光刻與深反應離子刻蝕（DRIE）工藝，為諧振結構提供諧振空腔，并制作交錯梳齒從而完成傳感器的制作過程。

圖2 單片集成MEMS三軸磁場傳感器的工藝流程

圖3為制作完成的基于法拉第電磁感應定律的單片集成MEMS三軸磁場傳感器以及部分結構的掃描電鏡（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。在圖像中可清楚地看到三軸磁場傳感器由2種不同結構、3個獨立器件構成。諧振梁、鋁線圈、驅(qū)動與檢測梳齒、阻尼孔與中央錨點等結構也在放大圖中得到展示。

圖3 單片集成三軸MEMS磁場傳感器的SEM圖與部分位置細節(jié)圖：（a）單片集成三軸MEMS磁場傳感器的整體SEM照片；（b）作為彈簧的折疊梁；（c）中心錨點；（d）用于2S梁耦合結構的檢測梳齒；（e）位于扭轉框結構上的泄氣孔；（f）泄氣孔放大圖片；（g）用于扭轉框器件驅(qū)動的交錯梳齒結構

在該項研究中，所制作的單片集成MEMS三軸磁場傳感器利用電磁感應原理進行工作，其輸出信號與外界磁場為線性關系。同時，器件的靈敏度可通過提升交流驅(qū)動信號的幅值得到提高。因此，在理論上避免了高靈敏度與功耗、動態(tài)范圍之間的矛盾關系。經(jīng)過測試，2S耦合梁結構器件對Z軸磁場的靈敏度為7.435 μV/mT，非線性度為0.436%，對X軸磁場與Y軸磁場的交叉軸抑制比分別為γz,x=49.749 dB，γz,y＝46.324 dB。扭轉框結構器件對X軸磁場的靈敏度為2.223 μV/mT，非線性度為0.49%，對Z軸磁場與Y軸磁場的交叉軸抑制比分別為γx,z=44.687 dB，γx,y＝41.138 dB。

圖4 2S梁耦合結構、扭轉框結構的“電壓-磁感應強度”曲線

此外，該研究中對傳感器進行的相關測試仍采用開環(huán)驅(qū)動電路，閉環(huán)驅(qū)動電路由于電路匹配問題仍在優(yōu)化過程中。預計采用閉環(huán)驅(qū)動電路進行測試后，傳感器的靈敏度將得到提高，非線性度將得以降低。后續(xù)通過改進工藝流程、優(yōu)化貼片方法和改進裝配方法等方式，可以進一步提高交叉軸抑制比。

編輯：黃飛

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