长春理工大学光电讯息学院张云琦、张景波、邢春香、孙晓冰

吉林大学电子科学与工程学院胡大强、殷景志

华夏电子科技团体公司第四十九协商所陈信琦

0、引言

磁传感器本领分类（起原：《磁传感器墟市与本领-版》）

由于磁性传感本领不会遭到尘土、污垢、油脂、振荡以及湿度的影响，是以磁传感器在产业设置和电子仪器中有着普遍的运用，如磁共振成像、临盆的主动节制、过程产业、煤矿勘察、电流丈量、弊病定位和铁磁材料残余应力探测等方面。为了知足不同形势的运用，已依据不同传感旨趣制备了反应的磁传感器，罕见的有超导量子干预装配(SQUID)、磁通门磁力计、霍尔效应传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、微机电系统(MEMS)磁传感器。在这些传感器中，即使SQUID可探测微小磁感受强度(fT)，但装配需求低温冷却，而且易受电磁扰乱，为此需求繁杂的外围设置；磁通门磁力计具备体积大、功耗大、运转领域小和不能探测静态磁场的特点，束缚了其运用；霍尔效应传感器显示增进智慧度需靠增进功耗完成；而AMR传感器则请求堆积磁性材料及主动矫正系统，且在几mT时易呈现饱和；由于MEMS本领也许将保守的磁传感器袖珍化，是以基于MEMS的磁传感工具备体积小、机能高、成本低、功耗低、高智慧和批量临盆等好处，其制备材料以Si为主，消除了磁传感器制备一定采取非凡磁性材料及其对被测磁场的影响。本文对当今基于MEMS的磁传感器在制备过程中触及的紧要打算、制做，传感本领及器件性质施行综述，并对其将来进展施行预计。

磁传感器墟市（起原：《磁传感器墟市与本领-版》）

磁传感器供给链和关键厂商（起原：《磁传感器墟市与本领-版》）

1、MEMS磁传感器打算及制做

1.1MEMS磁传感器打算

为了赢得高机能的MEMS磁传感器，首先要依据器件的运用目标对器件施行打算，由此断定器件的机关、行使的材料、运用的处事旨趣和感受本领等。MEMS打算人员也许依据模仿和建模器材筛选建造传感器的最好工艺和材料，并推断MEMS磁传感器的机能。同时打算人员一定斟酌器件制做过程应服从的材料成长、器件制做、记号调制和感受本领的完成等准则，以防止产生影响传感器机能的过错。在开辟商用MEMS传感器时，一定斟酌如下几点：优化器件机关打算；包装打算；牢靠的材料机能和准则建造工艺；符合的打算和仿真器材；裁减电子噪声和寄生电容；牢靠的记号管教系统；牢靠的测试。

当今常行使的MEMS打算器材囊括MEMSCAP、CoventorWare、IntelliSuite和SandiaUltra-planarMulti-levelMEMSTechnology(SUMMiTV)。这些打算器材具备创立传感器领土和查验打算准则的模块，而且也许模仿微加工过程的环节，有益于裁减赢得高机能MEMS磁传感器的光阴。

1.2MEMS磁传感器制做

一般，MEMS磁场传感器的建造也许采取体或表面微加工工艺来完成。由于硅具备很好的死板和电学性质而被用来做为其紧要加工材料，比如，硅具备最小的死板滞后和凑近1GPa的断裂应力。别的，硅在搀杂磷或硼后其电机能可赢得显然的改观。

体微加工工艺是采取湿法和干法蚀刻本领，经过材料的各向同性和各向异性蚀刻制备所需求的材料机关。表面微加工工艺是经过在衬底长施行不同材料层的堆积，图案化和蚀刻完成对MEMS器件的建造。一般，这些层被用做结谈判就义层。图1别离给出了经过体加工和表面微加工工艺制备的磁传感器的SEM。

图1体加工和表面加工赢得的SEM

2、传感本领及MEMS磁传感器

2.1传感本领

也许采取不同的传感本领制备MEMS磁传感器，比如压阻式、电容和光学本领。这些本领也许将磁场记号别离变换成电记号或光记号。在电记号探测中，当电源受限或存在强电磁扰乱时，会影响其运用。而光记号探测在强电磁场影响及长间隔传输等前提下运用比电记号探测更有上风，是以常运用在极度形势。别的，为了赢得高的分辩率和智慧度，MEMS磁传感器需求配有低电子噪声和寄生电容的记号调制系统。

2.2各样MEMS磁传感器

V.Kumar等报导经过内部热压阻振荡强调器完成的洛仑兹力谐振MEMS磁力计具备极高的智慧度。他们采取偏置电流调谐法子，将谐振器的灵验德行因子从抬高到1.14x10^6，已解释内部强调系数抬高了倍。别的，谐振器偏置电流的增进除了改观器件的德行因子外，也使器件的智慧度抬高了倍(从0.9μV·nT^(-1)到2.mV·nT^(-1))。在直流偏置电流为7.mA时，赢得最大智慧度为2.mV·nT^(-1)，本底噪声为2.8pT·Hz^(-1/2)。

E.Mehdizadeh等报导了基于洛伦兹力在低电阻率n型SOI衬底上建造的MEMS磁传感器，其主元件的SEM和电联结别离如图2所示。该传感器欺诈了双板硅谐振器(厚度10μm，此中之一具备10μmxnm的金线)，此中央打算的2个窄梁与2个Si板联结；当谐振器在平面振荡形式下振荡时，它会遭到周期性的拉伸和收缩应力，是以显露压阻特点。谐谐振器的德行因子在大气压下被强调(从到)。别的，该传感器可经过增进谐振器振荡幅度来抬高其智慧度。在空气中，当谐振频次为2.6MHz、德行因子为时，赢得传感器智慧度为mV/T。

图2压阻式MEMS磁传感器主元件的SEM和电联结

A.L.Herrera-May等制备了具备简捷谐振器和线性电反应的MEMS磁传感器。它由穿孔板(μmxμmx15μm)、4个曲折梁(18μmx15μmx15μm)、2个支持梁(60μmx36μmx15μm)和4个p型压敏电阻构成的惠斯登电桥孕育，见图3。在SOI衬底上采取准则的体微加工工艺建造器件，经过调度勉励电流节制器件的动态领域使其维持线性电反应，赢得器件德行因子为.6、智慧度为mV·T、分辩率为2.5μT，功耗为12mW。该传感器适当运用于非摧残性的磁性测试及铁磁材料弊病和腐化的探测。

图3MEMS磁传感器紧要部份的顶视图和4个压敏电阻构成的惠斯登电桥

Langfelder等制备了具备电容读出的MEMS磁场传感器，该传感器可探测与谐振机关表面笔直方位(z轴)的磁场。它由一组安稳定子和两根细梁吊挂的梭子构成，孕育2个差分平行板敏锐电容器C1和C2，见图4。具备传感器共振频次的梁，在通有电流时与磁场彼此影响，进而使2个细梁遭到洛伦兹力影响。这个力笔直于磁场和换取电流所构成的平面，致使梁安乐行板孕育位移，该位移也许经过差分电容的改变来探测。传感器在峰值启动电流为μA时的总智慧度为μV·μT^(-1)、理论噪声为.2μV·Hz^(-1/2)、分辩率为nT·mA^(-1)·Hz^(-1/2)、德行因子约、共振频次为28.3kHz。

图4由平行板、安稳定子和2根细梁支持的梭子孕育的MEMS磁场传感器的示企图

M.Li等打算了由曲折梁谐振器(1μmxμmx40μm)构成的磁场传感器。曲折梁谐振器与载有电流的Si梁经过微杠杆机制耦合，谐振器借助曲折梁的每一侧的30个叉指电极完成静电启动和电容感受，赢得传感器的智慧度为ppm·mA^(-1)·T^(-1)、德行因子为、谐振频次为21.9kHz(1ppm=10^(-6))。

Aditi等经过采取SOI和玻璃片的阳极键合本领制备了MEMS磁场传感器。该器件制做工艺具备如下好处：低温(≤℃)、牢靠、可反复、少的光刻环节及可控电极间间隔的本领。赢得传感器功耗为0.45mW，分辩率为nT·Hz^(-1/2)。

B.Park等打算了由硅谐振器和紧凑型激光定位系统构成的磁场传感器，如图5所示。该系统具备光电探测器和激光二极管，用于监测电流偏置的反射镜角位移。谐振器由涂覆有铝层(0μmx0μmx0.8μm)的硅膜(0μmx0μmx12μm)构成，膜由两根改变弹簧(μmxμmx12μm)支持，宽度为30μm、厚度为0.8μm的铝线堆积在其上。施加的磁场与反向镜的位移相关，当线圈偏置电流为50mA时，赢得传感器的智慧度为62mV·μT^(-1)、共振频次为Hz、德行因子为、53mHz带宽的分辩率为0.4nT、本底噪声为1.78nT·Hz^(-1/2)。

图5具备光读出的MEMS磁场传感器和传感器处事旨趣图

M.Lara-Castro等提议在印刷电路板上完成的MEMS磁场传感器的便携式记号调制系统，它配有也许谐磁场传感器的2个正弦记号产生器。磁场传感器由共振硅机关(μmxμmx5μm)、1个铝环(1μm厚)和4个p型压敏电阻构成的惠斯登电桥构成。2个记号产生器的频次安稳度为±ppm，分辩率为1Hz。该系统中，磁场与电压有类似线性相干；大气压下智慧度和分辩率别离为0.32V/T和35nT。

龙亮等采取MEMS磁扭摆和探测差分电容构成了MEMS磁传感器。磁扭摆是经过在双端安稳梁的硅薄膜上制做CoNiMnP永磁薄膜赢得，磁传感器尺寸为3.7mmx2.7mmx0.5mm，制备的MEMS磁传感工具备优异的线性，智慧度为27.7fF/mT，最小可分辩磁场巨细为36nT。

3、预计

当今基于Lorentz力的MEMS谐振式磁传感器紧要经过压阻、光学和电容感测本领来探测磁场。这些本领可为打算人员供给研发特定运用形势的最好传感器法子，比如，压阻感测适于采取体微加工工艺完成和简捷的记号管教系统。但压阻感受存在电压偏移，且电阻易受温度影响，是以系统中需求供给温度赔偿电路。电容感测紧要经过表面微加工工艺完成，并将所施加的磁场变换为电输出记号。该本领具备很小的温度依赖性，并同意电子电路与磁传感器制做在统一芯片上。一般，电容感受的传感器在大气压下具备高的空气阻尼，为防止它的影响需求对器件施行真空封装才力抬高其智慧度。欺诈光学敏锐本领制备的传感器由于具备抗电磁扰乱的特点，是以系统中所需求电路比电容和压阻敏锐本领的少，可在卑劣处境中处事，表面和体微加工工艺均实用于这类传感本领的好处。但是，这些感测本领都存在着由于焦耳效应而致使传感器机关发烧的题目，这会孕育热应力调和振器的位移。为此，需求进一步对器件散热、谐振器死板可控性及真空封装协商，以保证赢得更好的MEMS磁传感器机能。

跟着微纳米本领的进展、微死板建造本领的老练，越来越多的传感器着手向着集成化、智能化和网络化方位进展，它们已成为产业临盆完成智能建造的要紧动力。其智能运用紧要在如下几方面：

(1)传感本领。建设传感器网络系统，保证对讯息施行收集、调度与传输，使产业临盆过程赢得更灵验的节制。

(2)数控临盆。总干线形式经过在线诊断，完成对全体产业临盆线的风度节制。

(3)主动临盆和死板。欺诈主动化本领开展死板临盆，可显著抬高临盆效率和原料。

4、停止语

本文综述了经过体加工和表面加工法子、欺诈压阻、电容和光学本领制备的基于洛伦兹力的MEMS磁传感器，并先容了各式机关磁传感器的智慧度、德行因子、噪声和探测极限等特点。跟着纳米本领、集成化本领以及封装本领的继续进展，更多高机能、同时可监测多个物理量的智能传感器会继续呈现。

引荐培训：年5月25日至5月27日，麦姆斯征询主持的“MEMS封装和测试培训课程”将在无锡进行，培训实质包罗：（1）MEMS分立器件封装本领（金属封装、陶瓷封装、塑料封装等）；（2）MEMS晶圆级封装本领（晶圆级键合、晶圆级微帽、晶圆级密封、TSV等）；（3）MEMS系统级封装本领及器件做废案例解析；（4）模范MEMS器件封装和测试本领：MEMS麦克风、光学传感器、磁传感器、指纹识外传感器、射频滤波器、图象传感器、气体传感器等；（5）MEMS封装键合打算；（6）选修课程：MEMS打算器材Tanner软件及运用（MEMS打算-建模与仿真法子）。

麦姆斯彭琳E-mail：penglin