单片集成MEMS三轴磁场传感器*

付春末, 熊 斌, 陆仲明, 王文杰

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050；
2.中国科学院大学,北京 100049)

磁场传感器作为一种能够将磁场转换为电信号的传感器，如今被广泛应用于地磁场测量、磁探伤以及医疗等多种场景下[1]。随着时代的发展，对于可方便携带且便于集成化的磁场传感器的需求与日俱增。微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)磁场传感器相较于传统传感器，具有成本低、体积小，可与CMOS工艺兼容等优点[2]，成为目前磁场传感器研究的主要方向。如1991年，Donzier E等人曾报道的谐振式磁场传感器[3],文献[4]报道的在大气压下工作的谐振式磁场传感器,2014年,Mehdi zadeh E等人报道的基于自放大机制的高Q值洛伦兹力MEMS磁场传感器[5]，2016年，Ghosh S等人报道的基于电容检测的谐振式磁场传感器[6]等。对三轴MEMS磁场传感器的研究目前也是广泛研究的重点。Marra C R等人巧妙地设计了一种嵌套式谐振结构，并令其同时工作在3种不同的谐振模态下，实现了利用单个器件对三轴磁场的测量[7]。文献[8]利用分时复用技术，通过更改激励电流的流向，完成了单一结构对三轴磁场的测量。Yeh P C等人提出了一种利用压电效应的三轴磁场传感器实现了对三轴磁场的检测[9]。上述传感器可通过增加驱动电流来提高谐振结构所受到的洛伦兹力的大小，进而通过增加谐振结构的位移量，达到提高灵敏度的目的。但随之带来的是器件功耗的提升，以及动态范围的下降。如何解决高灵敏度与器件功耗，动态范围之间存在的矛盾关系，是MEMS磁场传感器的研究所面临的挑战之一。

针对现有MEMS三轴磁场传感器所面临的一些挑战，本文提出了一种基于法拉第电磁感应定律的单片集成MEMS三轴磁场传感器，为可与现有加速度计、陀螺仪等MEMS器件兼容制造的三轴MEMS磁场传感器提供一种参考途径。本文对所制作的基于法拉第电磁感应定律的单片集成MEMS三轴磁场传感器，在传感器结构，制作方法以及性能等几个方面进行了展示。

本团队曾经报道了2种可以对面内与面外磁场进行独立测量的器件，同时构想了一种单片集成方案[10]。但该方案中传感器内部空间并未充分利用。本文在原有4S梁器件的基础上，提出了2S梁器件的设计。本文设计相比于原来的设计，将原有的4根谐振梁更改为2根谐振梁，缩小了器件尺寸；
同时，该设计可通过锚点进行多个相同结构器件的耦合，理论上，传感器对Z轴磁场的灵敏度可在不更改器件谐振频率的条件下通过器件耦合的方式线性提升，提高了传感器内部空间的利用率。同时，针对扭转框结构器件进行了改进。通过将其锚点移至框体外部以及在框体上增加阻尼孔等方式，用以提高器件的Q值。经过上述改进后，整个传感器由3个独立的装置构成：对面外磁场的测量由2S梁耦合结构器件进行，对面内磁场的测量由2个敏感轴相互垂直的扭转框结构器件进行。

本文中提出的器件工作原理基于法拉第电磁感应定律

(1)

式中ε为闭合线圈两端产生的电动势,V;N为线圈匝数;B为被测磁场的磁感应强度，T;S为闭合线圈面积，m2;t为时间，s。由式(1)可以看到，当流过闭合线圈内的磁通量发生变化时，闭合线圈两端将产生一个与被测磁感应强度大小成正比的电压。本文所设计的磁场传感器采用静电推挽驱动，通过在谐振结构上施加直流偏置、梳齿驱动电极上施加交流驱动信号的方式进行工作。图 1分别展示了，利用COMSOL Multiphysics 5.5软件对两种不同结构的器件建模仿真的结果。

由图1可知，对2S梁耦合结构，其所需的平面收缩扩张振动模态为106.27 kHz，对扭转框结构，其所需的扭转振动模态为14.305 kHz。

图1 利用COMSOL软件仿真得到的2S梁耦合结构和扭转框结构的特征频率与特征模态

本文中报道的MEMS磁场传感器通过MEMS工艺制作得到，主要包含光刻、刻蚀、键合、溅射等工艺流程。制造过程的简要工艺流程如图2所示，并且对每一步的工艺目的在下方做了概述。

图2 单片集成MEMS三轴磁场传感器的工艺流程

图2(a)为通过光刻与反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)工艺，将对准标记刻蚀在衬底上；
并将用于下一步工艺流程的二氧化硅(SiO2)掩模制备在基底上；
图2(b)为通过光刻与深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)工艺，为谐振结构提供谐振空腔，并为交错梳齿的刻蚀提供硅结构；
图2(c)为通过氢氧化钾(KOH)溶液对利用键合工艺得到的硅片进行结构减薄。随后利用热氧工艺提供所需绝缘层。图2(d)为利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)与磁控溅射等工艺为线圈的制备提供所需材料，并利用光刻与铝腐蚀工艺得到所需多层铝线圈；
图2(e)为在第二步工艺的基础上，通过光刻与DRIE刻蚀等工艺制作驱动扭转框振动的交错梳齿雏形；
图2(f)为通过光刻、DRIE刻蚀等工艺将谐振结构释放在第二步得到的谐振腔体内，并完成交错梳齿的制作从而完成传感器的制作过程。

图3为制作完成的基于法拉第电磁感应定律的单片集成MEMS三轴磁场传感器以及部分结构的扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图像。需要注明的是，由于传感器尺寸为9.12 mm×8.88 mm，因此,其整体SEM图像由多张图片拼接得到。在图像中可清楚的看到三轴磁场传感器由2种不同结构、3个独立器件构成。谐振梁、铝线圈、驱动与检测梳齿、阻尼孔与中央锚点等结构也在放大图中得到展示。

图3(a)为单片集成三轴MEMS磁场传感器的整体SEM照片；
图3(b)为作为弹簧的折叠梁；
图3(c)为中心锚点照片；
图3(d)为用于2S梁耦合结构的检测梳齿；
图3(e)为位于扭转框结构上的泄气孔；
图3(f)为泄气孔的放大图片；

图3(g)为用于扭转框器件驱动的交错梳齿结构。

图3 单片集成三轴MEMS磁场传感器的SEM图与部分位置细节图

3.1 谐振特性分析

绘制在相同磁感应强度下，传感器被施加不同频率的交流驱动信号时，测试电路的输出电压平均值与交流驱动信号频率的曲线。所用测试电路的放大倍数为40 000倍，所加直流偏置的大小为25 V。传感器的交流驱动信号由KEYSIGHT 33210A信号发生器给出，信号幅值为1.5 Vpp。所需磁场由PEM—4电磁铁与Model F2031程控电流源产生，磁场大小通过霍尔传感器Model 1800 Gauss/Tesla meter校订为-5 mT。测试条件为大气压下。测试结果如图4所示。

图4 测试结果

在图4(a)为2S耦合梁结构器件在-5 mT磁场下，电路输出电压平均值与交流驱动信号频率的关系；
图4(b)为扭转框结构器件在-5 mT磁场下，电路输出电压平均值与交流驱动信号频率的关系。

通过与利用COMSOL Multiphysics 5.5软件得到的对2种不同结构器件的仿真结果比较，可以看出，实际制作得到的器件中扭转框结构器件的谐振频率与理论值相差不大；
2S耦合梁结构器件的真实谐振频率与理论值存在约4 kHz的偏差，这主要是由于制作中存在误差所导致的。整体而言，两种器件的谐振频率与仿真结果相吻合。

3.2 传感器灵敏度、非线性度与交叉轴抑制比测试

为了得到传感器的灵敏度与非线性度，需要绘制输出电压与磁感应强度的曲线。所用测试电路的放大倍数为40 000倍，所加直流偏置的大小为25 V。传感器的交流驱动信号由KEYSIGHT 33210A信号发生器给出，信号幅值为1.5 Vpp。所需磁场由PEM—4电磁铁与Model F2031程控电流源产生，磁场大小通过霍尔传感器Model 1800 Gauss/Tesla meter校订。测试条件为大气压下。当给2S耦合梁结构器件分别施加Z轴、X轴和Y轴磁场时，其输出曲线如图5(a)所示；
当给扭转框结构器件分别施加Z轴、X轴和Y轴磁场时，其输出曲线如图5(b)所示。

图5 2S梁耦合结构、扭转框结构的“电压—磁感应强度”曲线

由图5可知，2S耦合梁结构器件对Z轴磁场灵敏度Sz,z为189.32 mV/mT,对X轴磁场交叉轴灵敏度Sz,x为0.615 mV/mT;对Y轴磁场交叉轴灵敏度Sz,y为0.915 mV/mT;扭转框结构器件对X轴磁场灵敏度Sx,x为56.62 mV/mT,对Z轴磁场交叉轴灵敏度Sx,z为0.33 mV/mT;对Y轴磁场交叉轴灵敏度Sx,y为0.497 6 mV/mT。

需要注意的是，该输出电压平均值与被测磁场的磁感应强度之间的比例因子为系统灵敏度。文献[10]给出了在相同测试电路下，系统灵敏度与器件机械灵敏度之间的转换公式

(2)

式中SM为器件的机械灵敏度；
Soverall为通过线性拟合曲线得到的系统灵敏度；
A为整个电路的放大倍数。根据式(2)换算得到，2S耦合梁器件的机械灵敏度为7.435 μV/mT，非线性度为0.436 %；
扭转框结构器件的机械灵敏度为2.223 μV/mT，非线性度为0.49 %。2S梁耦合结构器件与扭转框结构器件的灵敏度相较于本团队曾报道过的4S梁器件与扭转框器件的灵敏度(5.8，1.9 μV/mT)略微提高。但2S梁耦合结构器件的非线性度相较于报道过的4S梁器件的非线性度(0.06 %)要大1个数量级左右，这主要是由于本器件测试电路采用了开环驱动，灵敏度温漂、电磁阻尼等影响非线性度的因素未被消除。

同时，由于本传感器致力于对三维磁场进行测量。因此，对本文中提出的MEMS磁场传感器交叉轴抑制比的研究是十分必要的。定义X轴为敏感轴，Y轴为交叉轴，定义交叉轴抑制比为

(3)

式中Sx,x定义为传感器对敏感轴方向磁场的机械灵敏度，Sx,y定义为对交叉轴方向磁场的机械灵敏度。由线性拟合得到，2S梁耦合结构器件的交叉轴机械灵敏度为Sz,x=0.024 2 μV/mT，Sz,y=0.035 9 μV/mT;交叉轴抑制比为γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB;扭转框结构器件的交叉轴机械灵敏度为Sx,z=0.012 96 μV/mT，Sx,y=0.019 5 μV/mT；
交叉轴抑制比为γx,z=44.687 dB，γx,y=41.138 dB。与本团队曾报道过的数据[10]相比，当2S耦合梁结构器件被用于Z轴磁场测量时，其对X轴磁场的交叉轴抑制比略微降低0.251 dB，其对Y轴磁场的交叉轴抑制比提升7.324 dB。当扭转框结构器件被用于X轴磁场测试时，其对Z轴磁场与Y轴磁场的交叉轴抑制比分别提升了3.687 dB与4.138 dB。

理论上，对于2S耦合梁结构器件，其γz,x、γz,y应为无穷大，即Sz,x、Sz,y应为零，但实测值却并不是这样。这是由于以下两点因素导致的：1)在工艺流程中，谐振结构在释放后并非完全与衬底水平，因此在测量时，谐振结构与磁场之间存在着角度偏差；
2)在实际测量过程中，2S耦合梁结构器件与被测磁场之间存在着因贴片，装配到接口电路上等因素带来的角度误差。这两种角度误差问题将导致2S梁耦合结构上附着的铝线圈对交叉轴方向的等效包围面积会随着谐振结构的运动发生周期性的变化，因此其Sz,x、Sz,y不为零。

对于扭转框结构器件，其在测量过程中不仅包含与2S耦合梁结构器件相似的角度误差问题，同时其自身扭转的运动方式决定了谐振结构上附着的铝线圈对于Z轴的等效包围面积也会随谐振结构的运动发生周期性的变化。这两个因素共同导致了γx,z,γx,y并非无穷大。后续可通过改进工艺流程、优化贴片方式以及改进装配方法等方式，减少角度误差，进一步提高交叉轴抑制比。

在本文中利用MEMS工艺，设计并制造了一种基于法拉第电磁感应定律的单片集成MEMS三轴磁场传感器。介绍了该传感器的设计思路、工作原理以及制作工艺。展示了对该传感器的谐振特性、灵敏度、非线性度和交叉轴抑制比测试结果。

单片集成MEMS三轴磁场传感器利用电磁感应原理进行工作，其输出信号与外界磁场为线性关系。同时，器件的灵敏度可通过提升交流驱动信号的幅值得到提高。因此，在理论上避免了高灵敏度与功耗、动态范围之间的矛盾关系。经过测试，2S耦合梁结构器件对Z轴磁场的灵敏度为7.435 μV/mT，非线性度为0.436 %，对X轴磁场与Y轴磁场的交叉轴抑制比分别为γz,x=49.749 dB,γz,y=46.324 dB。扭转框结构器件对X轴磁场的灵敏度为2.223 μV/mT，非线性度为0.49 %，对Z轴磁场与Y轴磁场的交叉轴抑制比分别为γx,z=44.687 dB，γx,y=41.138 dB。

目前，仍采用开环驱动电路对传感器进行相关测试，闭环驱动电路由于电路匹配问题仍在优化过程中。预计采用闭环驱动电路进行测试后，传感器的灵敏度将得到提高，非线性度将得以降低。后续通过改进工艺流程，优化贴片方法和改进装配方法等方式，可以进一步提高交叉轴抑制比。

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