一种扭摆式叉指微机电磁场传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种扭摆式叉指微机电磁场传感器。

背景技术：

磁场传感器有着悠久的历史，指南针的发明到现代交通导航，磁场传感器越来越被人重视。

磁场传感器与我们的生活息息相关，自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

随着微机电系统(mems)技术的发展，大大推动了mems磁场传感器的发展，出现了一些微型磁场传感器的结构，同时新发展的mems工艺能够在硅衬底上利用ic(英文全称为：integratedcircuit，中文是：集成电路)后处理工艺制作各种机械结构，为磁场传感器的设计开辟了新的途径，近年来，提出了一些微型磁场传感器的结构，如法国的vincentberoulle、laurentlatorre提出的mems磁场传感器，在悬臂梁与锚区附近做压阻，通过测量压阻的输出检测磁场。扭摆式mems磁场传感器最早由beverleyeyre等人提出，测量在磁场作用下受力后结构扭摆的幅度，来测量磁场的大小。这些磁场传感器只能测量磁场的大小。磁场是一个矢量，所以对磁场方向信息很重要。

技术实现要素：

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种扭摆式叉指微机电磁场传感器，该磁场传感器可以测量磁场大小以及磁场角度，且该磁场传感器结构简单。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种扭摆式叉指微机电磁场传感器，所述磁场传感器包括衬底、锚区组件和硅掺杂层，锚区生长在衬底上，硅掺杂层与锚区组件固定连接；锚区组件包括第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区、第五锚区、第六锚区、第七锚区和第八锚区；衬底上部设有空腔；硅掺杂层包括第一动态支撑梁、第二动态支撑梁、扭摆粱、第一静态支撑梁、第二静态支撑梁；第一动态支撑梁两端分别与第五锚区和第七锚区固定连接，第一动态支撑梁处于悬空状态；第二动态支撑梁两端分别与第六锚区和第八锚区固定连接，第二动态支撑梁处于悬空状态；第一动态支撑梁和第二动态支撑梁平行布设；扭摆粱的一端通过第一内支撑梁与第一动态支撑梁连接，扭摆粱的另一端通过第二内支撑梁与第二动态支撑梁连接，扭摆梁、第一内支撑梁、第二内支撑梁均处于悬空状态；扭转梁相对两侧设有延伸的第一叉指结构和第二叉指结构；第一静态支撑梁两端分别与第一锚区和第二锚区连接，第一静态支撑梁处于悬空状态；第二静态支撑梁两端分别与第三锚区和第四锚区连接，第二静态支撑梁处于悬空状态；第一静态支撑梁上设有延伸的第三叉指结构；第二静态支撑梁上设有延伸的第四叉指结构；所述的第一叉指结构和第三叉指结构相适配，构成第一电容；所述的第二叉指结构和第四叉指结构相适配，形成第二电容。

作为优选例，所述第一电容的一侧电极位于第一静态支撑梁的一条边上，另一侧位于扭摆梁上；第二电容的一侧电极位于第二静态支撑梁的一条边上，另一侧位于扭摆梁上。

作为优选例，所述的第一电容的一侧电极和第二电容的一侧电极位于扭摆梁的两侧，且对称分布。

作为优选例，所述第一电容的一侧电极位于第一静态支撑梁的一侧，第二电容的一侧电极位于第二静态支撑梁的一侧，且对称分布。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.结构简单，可以实现磁场幅度和角度的测量。本发明的双扭摆式的微机电磁场传感器，利用扭转梁的平移和旋转，这样可以实现三个磁场方向和运动幅度可以比拟，通过从第一电容、第二电容变化关系从而可以得到磁场方向，同时可以得到磁场的幅度。

2.功耗小、性能可靠。本发明实施例利用测量一个扭摆梁的位移，来测量磁场的方向。整个测量过程中所用的电流为直流电，在同样的磁场条件下，弯曲板受力最大产生的位移也最大，因此功耗小。另外，电容检测受外界环境影响较小，相对热驱动的传感器而言，本磁场传感器用洛伦兹力相对比较容易驱动，性能可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中的衬底、锚区组件和硅掺杂层的结构示意图。

图中有：衬底1、锚区组件2、硅掺杂层3、第一锚区4、第二锚区5、第三锚区6、第四锚区7、第五锚区8、第六锚区9、第七锚区10、第八锚区11、第一动态支撑梁12、第二动态支撑梁13、第一内支撑梁14、第二内支撑梁15、扭摆梁16、第一静态支撑梁17、第二静态支撑梁18、第一电容19、第二电容20。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种扭摆式叉指微机电磁场传感器，包括衬底1、锚区组件2和硅掺杂层3。锚区2生长在衬底1上。硅掺杂层3与锚区组件2固定连接。锚区组件2包括第一锚区4、第二锚区5、第三锚区6、第四锚区7、第五锚区8、第六锚区9、第七锚区10和第八锚区11。衬底1上部设有空腔。硅掺杂层3包括第一动态支撑梁12、第二动态支撑梁13、扭摆粱16、第一静态支撑梁17、第二静态支撑梁18。第一动态支撑梁12两端分别与第五锚区8和第七锚区10固定连接，第一动态支撑梁12处于悬空状态。第二动态支撑梁13两端分别与第六锚区9和第八锚区11固定连接，第二动态支撑梁13处于悬空状态。第一动态支撑梁12和第二动态支撑梁13平行布设。扭摆粱16的一端通过第一内支撑梁14与第一动态支撑梁12连接，扭摆粱16的另一端通过第二内支撑梁15与第二动态支撑梁13连接，扭摆梁16、第一内支撑梁14、第二内支撑梁15均处于悬空状态。扭转梁16相对两侧设有延伸的第一叉指结构和第二叉指结构。第一静态支撑梁17两端分别与第一锚区4和第二锚区5连接，第一静态支撑梁17处于悬空状态。第二静态支撑梁18两端分别与第三锚区6和第四锚区7连接，第二静态支撑梁18处于悬空状态。第一静态支撑梁17上设有延伸的第三叉指结构。第二静态支撑梁18上设有延伸的第四叉指结构。所述的第一叉指结构和第三叉指结构相适配，构成第一电容19；所述的第二叉指结构和第四叉指结构相适配，形成第二电容20。

上述实施例中，所述第一电容19的一侧电极位于第一静态支撑梁17的一条边上，另一侧位于扭摆梁16上；第二电容20的一侧电极位于第二静态支撑梁18的一条边上，另一侧位于扭摆梁16上。所述的第一电容19的一侧电极和第二电容20的一侧电极位于扭摆梁16的两侧，且对称分布。所述第一电容19的一侧电极位于第一静态支撑梁17的一侧，第二电容20的一侧电极位于第二静态支撑梁18的一侧，且对称分布。

该结构磁场传感器工作过程是：

为了测量x轴方向的磁场，将电流从第五锚区8和第九锚区9通入，从第七锚区10和第八锚区11流出，结构会沿着z轴移动(其中，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，垂直于纸面向内为z轴)，电容从而减小，两个叉指电容(即第一电容19和第二电容20)大小如式(1)所示：

其中，c为电容，εr为相对介电常数，ε0为真空中介电常数，l为叉指电容有效长度，t为叉指电容有效宽度，d为叉指之间的距离。

其中，k为结构等效弹性系数，δt为电容宽度的变化，i为通过电流大小，l1为第五锚区8和第七锚区10的距离。

为了测量y轴方向的磁场，电流从第五锚区8和第七锚区10流入，从第六锚区9和第八锚区11流出，结构会沿着z轴移动，电容从而减小，两个叉指电容大小依式(1)计算。

其中，k为结构等效弹性系数，δt为电容宽度的变化，i为通过电流大小，l2为第五锚区8和第九锚区9的距离。

为了测量z轴方向的磁场，电流从第一锚区4和第三锚区6流入，从第二锚区5和第四锚区7流出，结构会沿着y轴移动，电容增大，两个叉指电容大小可依式(1)表示。

其中，k为结构等效弹性系数，δl为电容长度的变化，i为通过电流大小，l3为第一锚区4和第二锚区5的距离。

通过x、y和z方向的磁场，从而得到磁场在空间的方向。具体来说，通过上述三种模式测量磁场的三个方向的不同分量，可以得到磁场大小：

其中，b表示磁场大小，bx表示x轴方向的磁场大小，by表示y轴方向的磁场大小，bz表示z轴方向的磁场大小。

磁场的方向与坐标轴的夹角分别为：

其中，θx表示磁场方向与x轴的夹角，θy表示磁场方向与y轴的夹角，θz表示磁场方向与z轴的夹角。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。