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的制作方法

本发明涉及一种磁场传感探头，尤其涉及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。

背景技术：

磁场传感器是可以将磁场强度转变成电信号输出的器件。传统的磁场传感器主要有测量线圈磁场计、光泵磁力计、核旋进磁力仪、超导干涉量子磁力计、磁阻磁力计、霍尔传感器、光缆磁力计、磁光传感器等。目前，磁场传感器的发展趋势为灵敏度高、温度稳定性好、抗干扰性强、小型化、集成化、智能化和低功耗，传统的磁场传感器难以完全实现这些优良性能。随着微电子机械系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)的发展，磁场传感器向小型化和微型化发展，不仅可以降低制作成本，还可以实现对狭窄空间的待测信号的检测。和传统器件相比，MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低和可靠性高等传统传感器无法比拟的优点，符合磁场传感器的发展趋势。

本发明的磁场传感探头的结构为在硅基底上加工悬臂梁，悬臂梁上表面镀有超磁致伸缩薄膜(GMF：Giant Magnetostrictive Thin Film)，并且形成叉指结构，在硅基底上镀有铬金属膜，悬臂梁上镀有铬金属膜和超磁致伸缩薄膜，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，待测磁场的变化导致超磁致伸缩薄膜的伸缩从而使悬臂梁发生挠曲，电容值发生变化，通过检测电容值的变化可以检测待测磁场的大小，电容式检测具有结构简单和高分辨率的优点，并且能在高温、辐射等恶劣条件下工作。本发明的磁场传感探头具有小型化、重量轻、成本低等优点。

技术实现要素：

本发明针对传统磁场传感器的不足，设计了一种基于超磁致伸缩薄膜的叉指电容磁场传感探头。

本发明采用的技术方案：一种基于超磁致伸缩薄膜的叉指电容磁场传感探头，包括：硅基底、固支端、悬臂梁、铬金属膜、超磁致伸缩薄膜。

所述的固支端位于硅基底的两侧。

所述的悬臂梁通过固支端与硅基底连接，每侧三个悬臂梁，两侧的悬臂梁形成叉指结构。

所述的铬金属膜镀在硅基底和悬臂梁的上表面，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，同一侧的电容结构并联。

所述的超磁致伸缩薄膜镀在悬臂梁上的铬金属膜上面，一侧悬臂梁上的铬金属膜上面镀正超磁致伸缩薄膜，另一侧镀负超磁致伸缩薄膜，正、负两种超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数相同或相近。在待测磁场中，由于正、负超磁致伸缩薄膜的伸缩和拉伸，使两侧的悬臂梁分别向硅基底方向和背离硅基底方向挠曲，形成差动电容。

本发明的有益效果是：

1在悬臂梁上表面和硅基上表面镀铬金属膜作为粘附层和电极层，同侧悬臂梁和硅基底之间的电容形成三个电容并联结构，改善了单个检测电容值微弱的问题。

2两侧的悬臂梁形成了叉指结构，在两侧悬臂梁的铬金属膜上面镀正负类型相反的超磁致伸缩薄膜，通过对差动电容的检测得出外界磁场的大小，可以提高传感探头对磁场的检测精度。

3在两侧悬臂梁上的铬金属膜上面镀超磁致伸缩薄膜，超磁致伸缩薄膜具有较大的磁致伸缩系数，能产生较大的磁致伸缩，从而有效地提高了对磁场的检测精度。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明传感探头的立体图。

图2为本发明传感探头的半剖面图。其中，1为硅基底，2为固支端，3为悬臂梁，4为铬金属膜，5为超磁致伸缩薄膜。

图3为本发明传感探头的制作工艺流程图。

图4为本发明传感探头的检测电路流程图。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案为：一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指结构磁场传感探头，包括：硅基底1，固支端2，悬臂梁3，铬金属膜4，超磁致伸缩薄膜5，如图2所示。

所述的悬臂梁3通过固支端与硅基底连接，在硅基底两侧排列成方向相反的两组，每组三个悬臂梁，两组悬臂梁形成叉指结构，如图1所示。

所述的铬金属膜4镀在硅基底1和悬臂梁3的上表面，充当超磁致伸缩薄膜的粘附层和电极层，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，同侧的三个电容结构并联。

所述的超磁致伸缩薄膜镀在悬臂梁上铬金属膜的上面，一侧悬臂梁的铬金属膜上面镀正超磁致伸缩薄膜，另一侧镀负超磁致伸缩薄膜，两种超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数相同或相近，超磁致伸缩薄膜在磁场的作用下产生伸缩，其在常温下各向异性常数几乎为零示出巨大的磁致伸缩效应，磁致伸缩系数高达1500-2000ppm，能够在磁场中实现敏感检测。

本发明制作工艺流程图如图3所示，具体步骤：(a)在清洗后的硅基底上溅射铬金属膜；(b)溅射SiO₂牺牲层，利用光刻方法在SiO₂牺牲层上刻出固支端的区域；(c)在SiO₂牺牲层上生长氮化硅结构层，在氮化硅结构层上溅射铬金属膜；(d)用光刻法得到一侧的悬臂梁形状的区域，溅射正超磁致伸缩薄膜；再用光刻法得到另一侧的悬臂梁形状的区域，溅射负超磁致伸缩薄膜；(e)利用光刻法得到叉指结构的悬臂梁形状的区域，再用刻蚀法在结构层得到叉指悬臂梁结构；(f)去除SiO₂牺牲层。

本发明的检测磁场的基本原理为：在磁场中，超磁致伸缩薄膜发生伸缩，从而导致悬臂梁的挠曲。由于在悬臂梁和硅基底上镀有铬金属膜充当电极层，因此在悬臂梁和硅基底之间形成电容，同一侧的三个电容并联，当悬臂梁梁发生挠曲时，两极板间的距离发生变化，从而使电容值发生变化。当待测磁场增大时，镀有正超磁致伸缩薄膜的悬臂梁向硅基底方向挠曲，硅基底与悬臂梁之间的距离变小，电容值变大，而镀有负超磁致伸缩薄膜的悬臂梁背离硅基底方向挠曲，硅基底与悬臂梁之间的距离变大，电容值变小，最后利用对差动电容的检测得出待测磁场的变化。

差动电容检测电路框图如图4所示，整个检测电路由应用差动电容的检测和放大电路、全波整流电路和低通滤波电路组成。高频信号发生器产生的高频正弦波信号施加于被测电容，将被测电容变换成容抗，再通过C/V转换把容抗变成交流电压信号，经过放大器放大，再送入全波整流电路转变成直流电平，最后经过低通滤波，输入到计算机进行分析。