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随着微电子机械系统技术的不断进步,使得便携式磁场传感器成为可能。在国外,很多人进行了MEMS磁场传感器的研究,但在国内,这类磁场传感器的研究仍然处于起步阶段。
目前在微机电系统设计中,根据传感器结构和外围电路集成方式,可分为两种:采用CMOSMEMS技术的结构和电路单片集成;电路和传感器结构分开加工,最后组合。由于CMOS MEMS技术的高信噪比以及制备大阵列单元等方面的优越性,采用该技术设计微机电系统将会越来越普遍。本文将采用与标准CMOS工艺兼容的MEMS技术开展基于压阻检测的谐振式磁微传感器的研究。
根据传感器结构加工工艺与CMOS工艺的顺序,有三种工艺可供选择,本文采用了对CMOS工艺要求相对较低的后CMOS(post-CMOS)工艺。后处理工艺分别进行了背面腐蚀和正面腐蚀两种方法。在前期的工作中,主要采用基于SOI硅片和背面腐蚀的后处理工艺,设计并测试了U型、E型、翘翘板型、板型和罗盘式等结构。利用在结构表面淀积的通电导线在磁场中受到罗伦兹力这一原理来检测磁场的大小。通过采用谐振的方式,使得微小罗伦兹力的效果放大。通过合理设计压阻,检测传感器谐振时发生的形变。
后期的工作中,在对背面腐蚀的磁微传感器进行测试的基础上,整理了实验结论,分析了空气阻尼的影响。采用标准CMOS工艺制作,然后正面腐蚀后处理释放传感器结构。
在理论分析中介绍了谐振结构的理论基础和微传感器结构的检测原理。ANSYS有限元软件模拟仿真,分析传感器的谐振频率以及其频率响应,对设计尺寸进行优化。利用CONVENT软件分析形变和压阻阻值的关系,完善对压阻尺寸和设计。利用L-edit软件进行版图设计,在设计中考虑了实际工艺中各个版图先后的对准和误差,给足了余量。