CN111537921B - 一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法 - Google Patents

一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111537921B
CN111537921B CN202010323013.8A CN202010323013A CN111537921B CN 111537921 B CN111537921 B CN 111537921B CN 202010323013 A CN202010323013 A CN 202010323013A CN 111537921 B CN111537921 B CN 111537921B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cantilever beam
acoustic wave
magnetic
surface acoustic
wave device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010323013.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111537921A (zh
Inventor
刘明
胡忠强
周子尧
王志广
吴金根
程苗苗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202010323013.8A priority Critical patent/CN111537921B/zh
Publication of CN111537921A publication Critical patent/CN111537921A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111537921B publication Critical patent/CN111537921B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/0015—Cantilevers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0052—Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

一种悬臂梁式MEMS磁传感器及其制备方法，包括悬臂梁、声表面波器件、磁致伸缩薄膜和磁性质量块；声表面波器件设在悬臂梁上方，磁性质量块位于悬臂梁的自由端；磁致伸缩薄膜位于声表面波器件上方；声表面波器件包括压电薄膜和叉指电极；压电薄膜设置在悬臂梁上表面，若干叉指电极设置在压电薄膜上。本发明提供了一种悬臂梁式MEMS磁传感器。不同于传统的声表面波磁传感器，引入了带磁性质量块的悬臂梁，这种结构不仅通过磁扭矩效应，提高了灵敏度，而且采用了MEMS工艺，制备的传感器体积小，有利于高度集成化。

Description

一种悬臂梁式MEMS磁传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种悬臂梁式MEMS磁传感器及其制备方法。
背景技术
磁传感器被应用在各种场所，如汽车工业，生物磁信号检测，智能家居等。但是，现有的磁传感器在实现无线无源检测上存在一定的挑战。近年来，基于声波的磁传感器引起了很大的关注，特别是声表面波磁传感器。由于声波的传播速度远小于电磁波的传播速度，所以在它的传播路径上容易获取磁信号并处理。更重要的是，基于声表面波的器件可以实现无线无源探测，这就为磁传感器实现无线无源探测提出了一种有效途径。
声表面波磁传感器是将对磁场敏感的材料放在声波传播的路径上，利用声表面波信号易提取和检测的特点，从而达到磁场检测的目的。传统声表面波磁传感器结构都是采用单端口或者延迟线装置，这种结构主要是依靠磁场下磁致伸缩材料的变化引起压电层材料的杨氏模量变化。但是，磁致伸缩薄膜在外磁场下的尺寸伸长或者缩短比较小，所以对声波的扰动能力有限，这一方面致使器件的灵敏度不高，另一方面增加了提取这种弱的扰动信号难度，导致检测弱磁场的能力也有限。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)技术的出现，使得传感器微型化，集成度更高成为可能。借助MEMS技术，将声表面波结构集成到硅基体上，并且利用MEMS的体硅工艺，可以制备出不同于传统结构的声表面波磁传感器，这种结构对提高传感器的灵敏度有很大潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种悬臂梁式MEMS磁传感器及其制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种悬臂梁式MEMS磁传感器，包括悬臂梁、声表面波器件、磁致伸缩薄膜和磁性质量块；声表面波器件设在悬臂梁上方，磁性质量块位于悬臂梁的自由端；磁致伸缩薄膜位于声表面波器件上方；
声表面波器件包括压电薄膜和叉指电极；压电薄膜设置在悬臂梁上表面，若干叉指电极设置在压电薄膜上。
进一步的，悬臂梁为硅基悬臂梁。
进一步的，声表面波器件是单端口或者延迟线结构；单端口或者延迟线结构中设有反射层。
进一步的，压电材料是LiNbO3、LiTaO3、AlN、ZnO薄膜中的一种。
进一步的，叉指电极材料包括粘附层和电极材料；粘附层是Ta或者Cr；电极材料是Al、Cu、Pt、Au导电薄膜中的一种。
进一步的，磁性质量块是Ni、Fe、CoFeB磁性薄膜中的一种。
进一步的，一种悬臂梁式MEMS磁传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)硅基片用乙醇、丙酮、浓硫酸和双氧水的混合溶液分别洗三次，每次清洗的中间用去离子水超声洗三次，每次洗30秒，然后烘干备用；
2)在硅基片上沉积压电薄膜，然后在压电薄膜上旋涂光刻胶，曝光定义出磁性质量块的图案；
3)沉积磁性质量块，然后在丙酮中剥离，获得磁性质量块图案；
4)旋涂光刻胶，曝光获得叉指电极图案，沉积粘附层和电极材料，通过剥离工艺获得叉指电极；
5)旋涂光刻胶，对准曝光获得磁致伸缩薄膜图案，沉积薄膜，通过剥离工艺获得磁致伸缩薄膜；
6)在器件背面旋涂光刻胶，曝光获得悬臂梁图案；通过湿法或者干法刻蚀硅基片，最后用丙酮去胶，获得悬臂梁式MEMS磁传感器。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明提供了一种悬臂梁式MEMS磁传感器。不同于传统的声表面波磁传感器，引入了带磁性质量块的悬臂梁，这种结构不仅通过磁扭矩效应，提高了灵敏度，而且采用了MEMS工艺，制备的传感器体积小，有利于高度集成化。
本发明使用硅基体符合半导体工艺，成本低，易于大批量生产。
附图说明
附图1是本发明的悬臂梁式MEMS磁传感器的结构。
附图2是本发明的悬臂梁式MEMS磁传感器的制备工艺。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图2，一种悬臂梁式MEMS磁传感器，包括硅基悬臂梁1，声表面波器件4，磁致伸缩薄膜5，磁性质量块6。声表面波器件4设在硅基悬臂梁1上方；所述声表面波器件4由压电薄膜2和叉指电极3组成；所述磁性质量块6位于硅基悬臂梁1的自由端。
所述悬臂梁由硅衬底组成。硅基体符合半导体工艺，成本低，易于大批量生产。
所述声表面波器件由压电薄膜和叉指电极组成。
所述声表面波器件是单端口或者延迟线结构。本实施例中选用延迟线结构。
所述压电材料是LiNbO3、LiTaO3、AlN、ZnO等薄膜中的一种。本实施例中压电材料是ZnO，厚度5～6微米。
所述延迟线结构中的叉指电极数目和尺寸根据实际需要确定，尺寸越小，频率越高，工艺难度越大。本实施例中叉指电极宽度设为25微米，对数取15对。
所述延迟线结构中设有反射层。反射层材料和叉指电极材料一样，对数取10。
所述叉指电极材料包括粘附层和电极材料。本实施例中的粘附层设为Ta,厚度5nm，电极材料是Cu，厚度是150nm。
所述磁性质量块是Ni、Fe、CoFeB等薄膜中的一种。本实施例中是Ni，厚度200nm。
所述磁致伸缩薄膜是CoFeB、FeGaB等中的一种。
本发明的悬臂梁式MEMS磁传感器，由于在悬臂梁上沉积有磁性材料，故在磁场中基于扭矩效应会使悬臂梁发生弯曲，进而导致悬臂梁上的声表面波器件的频率偏移。声表面波的频率偏移是因为杨氏模量效应，当悬臂梁的应变传递到声表面波结构的压电层，会引起压电层的杨氏模量变化和电极尺寸变化，从而导致中心频率偏移。影响磁传感器的灵敏度的因素还有压电层和悬臂梁之间的结合力，若是结合力太弱，在多次弯曲中，压电层薄膜容易碎裂或者脱落。所以，在沉积压电薄膜之前对衬底要进行充分预处理，以保证压电薄膜强的结合力。另外，悬臂梁的厚度也是影响灵敏度的关键因素，但这需要综合考虑工艺条件和悬臂梁上的应力分布。
本发明的悬臂梁式MEMS磁传感器制备工艺，其特征在于：步骤如下，
1)硅基片用乙醇、丙酮、浓硫酸和双氧水的混合溶液分别洗三次，每次中间用去离子水超声洗三次，每次洗30秒，然后烘干备用。
2)在硅衬底上磁控溅射沉积压电薄膜，然后在压电薄膜上旋涂光刻胶，曝光定义出磁性质量块的图案。
3)沉积磁性质量块，然后在丙酮中剥离，获得磁性质量块图案。
4)旋涂光刻胶，曝光获得叉指电极图案。沉积粘附层和电极材料，通过剥离工艺获得叉指电极。
5)旋涂光刻胶，对准曝光获得磁致伸缩薄膜图案。沉积薄膜，通过剥离工艺获得磁致伸缩薄膜。
6)在器件背面旋涂光刻胶，曝光获得悬臂梁图案。通过湿法刻蚀硅衬底，最后用丙酮去胶，获得悬臂梁式MEMS磁传感器。

Claims (2)

1.一种悬臂梁式MEMS磁传感器，其特征在于，包括悬臂梁、声表面波器件、磁致伸缩薄膜和磁性质量块；声表面波器件设在悬臂梁上方，磁性质量块位于悬臂梁的自由端；磁致伸缩薄膜位于声表面波器件上方；
声表面波器件包括压电薄膜和叉指电极；压电薄膜设置在悬臂梁上表面，若干叉指电极设置在压电薄膜上；
声表面波器件是单端口或者延迟线结构；单端口或者延迟线结构中设有反射层；
磁性质量块是Ni、Fe、CoFeB磁性薄膜中的一种；
悬臂梁为硅基悬臂梁；
压电材料是LiNbO3、LiTaO3、AlN、ZnO薄膜中的一种；
叉指电极材料包括粘附层和电极材料；粘附层是Ta或者Cr；电极材料是Al、Cu、Pt、Au导电薄膜中的一种。
2.一种悬臂梁式MEMS磁传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种悬臂梁式MEMS磁传感器，包括以下步骤：
1)硅基片用乙醇、丙酮、浓硫酸和双氧水的混合溶液分别洗三次，每次清洗的中间用去离子水超声洗三次，每次洗30秒，然后烘干备用；
2)在硅基片上沉积压电薄膜，然后在压电薄膜上旋涂光刻胶，曝光定义出磁性质量块的图案；
3)沉积磁性质量块，然后在丙酮中剥离，获得磁性质量块图案；
4)旋涂光刻胶，曝光获得叉指电极图案，沉积粘附层和电极材料，通过剥离工艺获得叉指电极；
5)旋涂光刻胶，对准曝光获得磁致伸缩薄膜图案，沉积薄膜，通过剥离工艺获得磁致伸缩薄膜；
6)在器件背面旋涂光刻胶，曝光获得悬臂梁图案；通过湿法或者干法刻蚀硅基片，最后用丙酮去胶，获得悬臂梁式MEMS磁传感器。
CN202010323013.8A 2020-04-22 2020-04-22 一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法 Active CN111537921B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010323013.8A CN111537921B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010323013.8A CN111537921B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111537921A CN111537921A (zh) 2020-08-14
CN111537921B true CN111537921B (zh) 2022-02-01

Family

ID=71975244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010323013.8A Active CN111537921B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111537921B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113567898B (zh) * 2021-07-23 2023-08-08 中国科学院空天信息创新研究院 一种磁阻运动调制的低频mems磁阻传感器

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09243721A (ja) * 1996-03-12 1997-09-19 Hitachi Ltd 磁気センサ
CN1688035A (zh) * 2005-06-09 2005-10-26 上海交通大学 基于微机电***的巨磁阻抗效应磁敏器件
CN102435959A (zh) * 2011-10-11 2012-05-02 电子科技大学 一种磁声表面波磁场传感器及其制备方法
CN204495981U (zh) * 2014-11-28 2015-07-22 瑞声光电科技(常州)有限公司 基于磁电效应的声表面波磁传感器
CN205656289U (zh) * 2016-03-25 2016-10-19 中国计量学院 一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头
CN106154186A (zh) * 2016-06-20 2016-11-23 瑞声声学科技(常州)有限公司 声表面波磁传感器及其制备方法
CN205861876U (zh) * 2016-05-20 2017-01-04 中国计量大学 一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头
CN106569155A (zh) * 2016-05-20 2017-04-19 中国计量大学 一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头
CN106896333A (zh) * 2015-12-17 2017-06-27 亚德诺半导体集团 包括磁性结构的设备、***和方法
CN107015048A (zh) * 2017-04-21 2017-08-04 中国科学院声学研究所 一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器
CN206523553U (zh) * 2017-02-14 2017-09-26 中国电力科学研究院 一种声表面波电流传感器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7345475B2 (en) * 2006-03-17 2008-03-18 University Of Maryland Ultrasensitive magnetoelectric thin film magnetometer and method of fabrication
US7855564B2 (en) * 2008-02-14 2010-12-21 Delaware Capital Formation, Inc. Acoustic wave device physical parameter sensor
CN105712288B (zh) * 2014-12-02 2017-10-27 无锡华润上华半导体有限公司 Mems扭转式静电驱动器的制作方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09243721A (ja) * 1996-03-12 1997-09-19 Hitachi Ltd 磁気センサ
CN1688035A (zh) * 2005-06-09 2005-10-26 上海交通大学 基于微机电***的巨磁阻抗效应磁敏器件
CN102435959A (zh) * 2011-10-11 2012-05-02 电子科技大学 一种磁声表面波磁场传感器及其制备方法
CN204495981U (zh) * 2014-11-28 2015-07-22 瑞声光电科技(常州)有限公司 基于磁电效应的声表面波磁传感器
CN106896333A (zh) * 2015-12-17 2017-06-27 亚德诺半导体集团 包括磁性结构的设备、***和方法
CN205656289U (zh) * 2016-03-25 2016-10-19 中国计量学院 一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头
CN205861876U (zh) * 2016-05-20 2017-01-04 中国计量大学 一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头
CN106569155A (zh) * 2016-05-20 2017-04-19 中国计量大学 一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头
CN106154186A (zh) * 2016-06-20 2016-11-23 瑞声声学科技(常州)有限公司 声表面波磁传感器及其制备方法
CN206523553U (zh) * 2017-02-14 2017-09-26 中国电力科学研究院 一种声表面波电流传感器
CN107015048A (zh) * 2017-04-21 2017-08-04 中国科学院声学研究所 一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Grating-patterned FeCo coated surface acoustic wave device for sensing magnetic field";Wen Wang 等;《AIP ADVANCES》;20180131;第8卷;第015134-1至015134-9页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111537921A (zh) 2020-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11143561B2 (en) Passive microphone/pressure sensor using a piezoelectric diaphragm
CN105784189B (zh) 硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器及制备
CN101644618B (zh) 应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线
EP1825240A1 (en) Surface acoustic wave sensor methods and systems
EP1997347A1 (en) Mems device
CN111537921B (zh) 一种悬臂梁式mems磁传感器及其制备方法
CN109786923A (zh) 一种声学驱动的微型磁电天线结构及其制备方法
CN110869757B (zh) 表面声波谐振传感器
CN110658256A (zh) 一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器
CN111044770A (zh) 一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器
CN110994097B (zh) 一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构及其制备方法
CN107449955B (zh) 一种基于图形化磁致伸缩薄膜的声表面波电流传感器
CN101729035B (zh) 基于微机电技术制作声表面波相关器的方法
CN111398872B (zh) 一种基于声表面波和磁扭矩效应的磁传感器及制备方法
CN105306004A (zh) 一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法
CN114793103B (zh) 一种适用于多参量传感的声波谐振器
JP2000214140A (ja) センサ
CN115436686A (zh) 一种延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法
Tigli et al. Design and fabrication of a novel SAW bio/chemical sensor in CMOS
US11835414B2 (en) Passive pressure sensor with a piezoelectric diaphragm and a non-piezoelectric substrate
CN112857276B (zh) 声表面波应变传感器及其制备方法
TWI293112B (en) An underwater acoustic micro-sensor
CN112462091B (zh) 一种mems-idt加速度传感器
Soleimanpour et al. ZnO-Based Surface Acoustic Wave Droplet Sensor
CN114136507A (zh) 一种无线无源声表面波压力传感器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant