磁传感器及其制备方法，磁场测量系统与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种磁传感器及其制备方法，磁场测量系统。


背景技术：

2.磁传感器是对磁场大小变化及进行测量的一种传感器，随着便携式设备的使用增多，磁传感器的应用场景越来越广泛，因此对磁传感器技术指标的要求更高，而传统的磁传感器已经不能达到目前设备对于高灵敏度的要求。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种高灵敏度的磁传感器及其制备方法，磁场测量系统。
4.为了实现上述目的，一方面，本技术提供了一种磁传感器，包括：介质层，具有相对设置的容置空间和凹槽；磁致层，设置在容置空间，磁致层在待测磁场中发生形变以产生应力，应力与待测磁场的场强呈正相关关系；悬臂梁，设置于凹槽所在侧的介质层的端面上，悬臂梁在凹槽位置形成悬浮部分，悬浮部分通过介质层受应力作用发生形变，形变的程度用于表征待测磁场的场强。
5.上述磁传感器，将磁致层在待测磁场中发生形变所产生的应力变化，通过介质层传导给悬臂梁，使得悬臂梁的悬浮部分产生形变，从而将磁致层的应力变化转化为更为灵敏的悬臂梁上的变化。在待测磁场发生细微变化的情况下，磁致层形变量较小，难以根据磁致层的形变情况测量场强信息，而本技术实施例提供的磁传感器，通过上述结构，磁致层发生微小形变时，悬臂梁也相应发生微小形变，但悬臂梁的微小形变所引起的电学测量信号或光学测量信号的变化程度较为明显。基于该特点，可以通过电学测量或光学测量方式，根据悬臂梁的形变程度精准地测量场强信息，更灵敏地感测待测磁场的变化情况，从而显著提升了磁传感器的灵敏度。
6.在其中一个实施例中，悬臂梁、磁致层和介质层均为中心对称结构，且悬臂梁的中心对称点、磁致层的中心对称点和介质层的中心对称点位于同一条直线上。
7.在其中一个实施例中，介质层在凹槽两侧还形成有第一凸起部和第二凸起部，磁传感器还包括：源极，位于第一凸起部和悬臂梁之间；漏极，位于第二凸起部和悬臂梁之间；栅极，位于凹槽与悬臂梁相对的面上；源极、漏极和栅极均用于与测量电路连接，且均用于向测量电路传输电信号，测量电路用于根据源极的电信号、漏极的电信号和栅极的电信号，计算待测磁场的场强信息。
8.在其中一个实施例中，介质层包括：第一介质层，形成有容置空间；第二介质层，置于第一介质层上，且形成有凹槽。
9.在其中一个实施例中，悬臂梁为二维材料。
10.本发明还提供了一种磁传感器的制备方法，包括：提供介质层；在介质层形成容置
空间和凹槽；在容置空间形成磁致层；在凹槽所在侧的介质层的端面上形成悬臂梁。
11.上述磁传感器的制备方法，在介质层上形成容置空间和凹槽，并分别形成磁致层和悬臂梁，以构成上述磁传感器。该磁传感器具有高灵敏度，且通过该制备方法，在保证传感器具备高灵敏度的同时，基于介质层实现磁致层和悬臂梁的集成，有利于磁传感器的小型化设计。
12.本发明还提供了一种磁场测量系统，包括磁传感器以及测量电路；测量电路用于采集磁传感器在待测磁场下产生的测量信号，并根据测量信号计算待测磁场的场强信息。测量信号用于表征悬浮部分的形变程度。
13.在其中一个实施例中，测量信号包括第一反射光和第二反射光，测量电路包括：发射器，用于投射光束至悬臂梁的悬浮部分；光电转换器，用于接收光束经悬浮部分反射的第一反射光和光束透过悬浮部分后经介质层反射的第二反射光，且用于根据第一反射光和第二反射光生成待测磁场的场强信息。
14.在其中一个实施例中，测量电路包括矢量网络分析仪；介质层在凹槽两侧还形成有第一凸起部和第二凸起部，磁传感器还包括：源极，位于第一凸起部和悬臂梁之间；漏极，位于第二凸起部和悬臂梁之间；栅极，位于凹槽与悬臂梁相对的面上；矢量网络分析仪分别与源极、漏极和栅极连接，且矢量网络分析仪根据源极的电信号、漏极的电信号和栅极的电信号，计算待测磁场的场强信息。
15.上述磁场测量系统，通过磁传感器在待测磁场下产生测量信号，测量信号的大小与悬臂梁的悬浮部分的形变有关，将测量信号输入到测量电路中进行计算可得到待测磁场的场强信息，准确高效地实现了根据悬浮部分的形变测量待测磁场的场强。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为一实施例中提供的磁传感器的制备方法的流程图；图2为一实施例中提供的磁传感器的结构示意图；图3为另一实施例中提供的磁传感器的结构示意图；图4为一实施例中提供的磁场测量系统的结构示意图；图5为另一实施例中提供的磁场测量系统的结构示意图。
具体实施方式
18.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
19.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
20.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”或“连接到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻或连接到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”或“直接连接到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、 第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分；举例来说，可以将第一掺杂类型成为第二掺杂类型，且类似地，可以将第二掺杂类型成为第一掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型为不同的掺杂类型，譬如，第一掺杂类型可以为p型且第二掺杂类型可以为n型，或第一掺杂类型可以为n型且第二掺杂类型可以为p型。
21.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
22.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
23.这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。
24.请参阅图1，本发明提供一种磁传感器的制备方法，包括如下步骤：s102：形成介质层；应说明的，介质层可由单层、两层或多层介质层构成。介质层的材料可以选取硅和二氧化硅等。可选的，介质层可以由两层介质层构成。
25.步骤s102可以包括如下步骤：形成第一介质层；在第一介质层上形成第二介质层。
26.其中，第一介质层为硅介质层，第二介质层为二氧化硅介质层。可选的，第一介质层可以整体为长方体，第一介质层的长度为5μm，宽度为5μm、厚度为2μm；第二介质层可以整
体呈长方体，第二介质层的长度为5μm、宽度为5μm、厚度为1μm。
27.s104：在介质层形成容置空间和凹槽；容置空间和凹槽可以是长方体、正方体等形状，但不限于此处举例。容置空间和凹槽的位置可以如图2所示的对应设置。
28.可选的，容置空间、凹槽和介质层均为中心对称结构，三者的中心对称点位于一条直线上。如图2所示，容置空间在介质层底面的投影面积a和凹槽在介质层底面的投影面积b，均小于介质层底面面积c。投影面积b也不应过小或过大，过小或过大时会影响悬浮部分的形变。投影面积b的大小可基于磁传感器的测量范围和测量灵敏度要求而定。可先根据磁传感器的要求要求确定悬浮部分的尺寸，进而确定凹槽的投影面积b。可选的，容置空间可以为长方体，长度为4μm，宽度为4μm，厚度为1μm；凹槽可以为长方体，长度为1μm，宽度为1μm，厚度为1μm。
29.其中，当介质层包括第一介质层和第二介质层时，步骤s104可以包括：在第一介质层形成容置空间；在第二介质层形成凹槽。
30.s106：在容置空间形成磁致层；一个实施例中，磁致层的体积和容置空间的体积大小相等，磁致层占满容置空间，此时，磁致层在磁场中形变所产生的应变力可以更好地通过介质层传递至悬臂梁。可选的，磁致层可以为长方体，其长度为4μm，宽度为4μm，厚度为1μm。应说明的，磁致层为磁致伸缩材料，磁致伸缩材料包括但不限于镍、镍钴合金、镍钴铬合金等镍基合金，铁镍合金、铁铝合金、铁钴钒合金、铁镓合金等铁基合金，或者，镍钴和镍钴铜等铁氧体材料。在一个实施例中，磁致层为铁镓合金。
31.s108：在所述凹槽所在侧的介质层的端面上形成悬臂梁。
32.应说明的，如图2所示的截面图示意下，悬臂梁的长度l1应当大于凹槽的长度l2，以使悬臂梁能够设置在介质层的端面上并在凹槽位置形成悬浮部分。可选的，悬臂梁的长度为3μm，宽度为1μm，厚度为1nm。应说明的，悬臂梁为二维材料，二维材料包括但不限于石墨烯、黑磷、氮化硼，以及二硫化钼、二硫化钨等过渡金属硫族化合物。可选的，悬臂梁为二硫化钼。
33.在一个实施例中，凹槽两侧还形成有第一凸起部和第二凸起部，步骤s108之前还包括：在第一凸起部上形成源极；在第二凸起部上形成漏极；在凹槽与悬臂梁相对的面上形成栅极。
34.如图3所示的截面图示意下，可选的，源极的长度为1μm、宽度为1μm、厚度为25nm，材质为钛和黄金，由厚度为5nm的钛和厚度为20nm的黄金组成；漏极的长度为1μm、宽度为1μm、厚度为25nm，材质为钛和黄金，由厚度为5nm的钛和厚度为20nm的黄金组成；栅极的长度为1μm、宽度为1μm、厚度为25nm，材质为钛和黄金，由厚度为5nm的钛和厚度为20nm的黄金组成。
35.在上述示例中的磁传感器的制备方法，在介质层上形成容置空间和凹槽，并分别形成磁致层和悬臂梁，使传感器具备测量磁场时的高灵敏度所需的构型基础的同时，精简
地满足了磁传感器的小型化需求。
36.应该理解的是，虽然图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
37.请参阅图2和图3，本发明还提供一种磁传感器，包括：介质层、磁致层206和悬臂梁208。
38.具体的，介质层具有相对设置的容置空间和凹槽，磁致层206设置在容置空间，悬臂梁208设置于凹槽所在侧的介质层的端面上。
39.具体的，磁致层206在待测磁场中发生形变以产生应力，应力与待测磁场的场强呈正相关关系。应说明的，磁致层206为磁致伸缩材料，其在待测磁场下产生的应力大小与待测磁场的场强呈正相关关系。
40.具体的，悬臂梁208在凹槽位置形成悬浮部分，悬浮部分通过介质层受应力作用发生形变，形变的程度用于表征待测磁场的场强。应说明的，根据磁致伸缩材料的弹性模量和磁致层206的应力变化范围，以及介质层的传递系数，可确定悬臂梁208的应力变化范围，进而确定悬臂梁208的悬浮部分的形变程度。具体的，在介质层中，应力是由磁致层206向悬臂梁208传递；在悬臂梁208上，应力是在悬臂梁208两端沿两个相反方向生成拉伸力。应说明的，悬臂梁208为二维材料，二维材料与磁致伸缩材料相比，具有更优异的力学和电学性能。
41.由上述实施例描述可知，本技术实施例将磁致层206在待测磁场中发生形变所产生的应力变化，通过介质层传导给悬臂梁208，使得悬臂梁208的悬浮部分产生形变，从而将磁致层206的应力变化转化为更为灵敏的悬臂梁208上的变化。在待测磁场发生细微变化的情况下，磁致层206形变量较小，难以根据磁致层206的形变情况测量场强信息，而本技术实施例提供的磁传感器，通过上述结构，磁致层206发生微小形变时，悬臂梁208也相应发生微小形变，但悬臂梁208的微小形变所引起的电学测量信号或光学测量信号的变化程度较为明显。基于该特点，可以通过电学测量或光学测量方式，根据悬臂梁208的形变程度精准地测量场强信息，更灵敏地感测待测磁场的变化情况，从而显著提升了磁传感器的灵敏度。
42.在其中一个实施例中，所述悬臂梁208、所述磁致层206和所述介质层均为中心对称结构，且所述悬臂梁208的中心对称点、所述磁致层206的中心对称点和所述介质层的中心对称点位于同一条直线上。当三者均为中心对称结构，且呈轴对称设置的情况下，磁致层206应变力可均匀传递至悬臂梁208，此时，测量电路对悬臂梁208形变测量时更精准，例如，光学方式进行测量时，发射器101投射的光束在悬浮部分各位置的反射光的干涉现象一致性好，从而保证测量结果的可靠性。
43.在其中一个实施例中，介质层在凹槽两侧还形成有第一凸起部和第二凸起部，磁传感器还包括：源极210，位于第一凸起部和悬臂梁208之间；漏极212，位于第二凸起部和悬臂梁208之间；栅极214，位于凹槽与悬臂梁208相对的面上；源极210、漏极212和栅极214均用于与测量电路连接，且均用于向测量电路传输电信号，测量电路用于根据源极210的电信号、漏极212的电信号和栅极214的电信号，计算待测磁场的场强信息。
44.具体的，磁致层206形变产生的应变力通过介质层作用在悬臂梁208，悬臂梁208两端与介质层固定连接下，悬臂梁208发生形变。例如，悬臂梁208在应变力作用下变薄，悬臂梁208的电学特性将发生改变，进而使得测量电路工作时，源极210、漏极212和栅极214产生的电信号均会改变，便可根据电信号的变化计算待测磁场的场强信息。
45.在其中一个实施例中，介质层包括：第一介质层202，形成有容置空间；第二介质层204，置于第一介质层202上，且形成有凹槽。
46.可通过设置两个不同的介质层材料，差异化选择各介质层的材料，以适配于上述栅极214、源极210和漏极212的晶体管对于衬底的要求。各介质层的材料选择，可以如上述实施例中的描述，在此不做赘述。
47.在其中一个实施例中，悬臂梁208为二维材料。二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料。二维材料可选择上述实施例中举例的具体材料。二维材料在应力作用下其结构发生变化，导致自身的电学特性或光学特性发生比较明显的变化，例如，其光吸收谱、热导率、电导率等特性发生变化，通过测量电路对光学或电学测量信号进行采集，可以进一步确定场强信息。
48.请参阅图4和图5，本发明还提供一种磁场测量系统，包括：磁传感器2和测量电路1。测量电路1用于采集磁传感器2在待测磁场下产生的测量信号，并根据测量信号计算待测磁场的场强信息。测量信号用于表征悬浮部分的形变程度。
49.具体的，测量信号可以为光信号或者电信号，在光学或者电学的测量方式下，磁传感器2和测量电路1的具体组成存在不同。
50.可选的，测量信号为光信号时，测量信号包括第一反射光r1和第二反射光r2。测量电路1包括：发射器101，用于投射光束至悬臂梁208的悬浮部分；光电转换器102，用于接收第一反射光r1和第二反射光r2，且用于根据第一反射光r1和第二反射光r2生成待测磁场的场强信息；第一反射光r1为光束在悬浮部分上反射的光；第二反射光r2为光束透过悬浮部分和介质层后反射的光。
51.请参阅图4。具体的，在测量时，发射器101投射一光束到悬臂梁208的悬浮部分后，一部分反射光，即第一反射光r1，是直接从悬臂梁208的悬浮部分上反射回来；而另一部分光，即第二反射光r2，是透过悬臂梁208的悬浮部分和介质层后从介质层底部反射回来。第一反射光r1和第二反射光r2之间会发生干涉，利用光电转换器102对干涉信号进行采集。随着悬臂梁208的悬浮部分产生形变，悬臂梁208的谐振频率改变两束光的相位差将发生变化，使得光电转换器102采集到的干涉信号也发生变化，从而可以根据干涉信号变化，得到悬臂梁208的谐振频率变化情况。
52.通过上述的光学测量方式，在待测磁场变化时，便可根据悬臂梁208的谐振频率变化曲线，测量得到待测磁场的场强信息。具体的，剔除谐振频率随待测磁场变化呈非线性变化的部分，仅保留谐振频率随待测磁场变化呈线性变化的部分，得到保留的部分被称为特征区域。特征区域为磁传感器2的工作区间，工作区间对应的磁场范围即为磁传感器2测量得到的待测磁场的磁场场强范围。
53.可选的，测量信号为电信号时，测量电路1包括矢量网络分析仪103；介质层在凹槽两侧还形成有第一凸起部和第二凸起部，磁传感器2还包括：源极210，位于第一凸起部和悬臂梁208之间；漏极212，位于第二凸起部和悬臂梁208之间；栅极214，位于凹槽与悬臂梁208
相对的面上；矢量网络分析仪103分别与源极210、漏极212和栅极214连接，且矢量网络分析仪103根据源极210的电信号、漏极212的电信号和栅极214的电信号，计算待测磁场的场强信息。
54.请参阅图5。具体的，在测量时，在源极210和漏极212处接入直流电压，对栅极214施加直流偏置并接入耦合的交流电压，通过矢量网络分析仪103对源极210、漏极212和栅极214处产生的电信号进行分析。随着悬臂梁208的悬浮部分产生形变，悬臂梁208的谐振频率改变，源极210、漏极212和栅极214处产生的电信号均将发生变化，矢量网络便可以得到测得悬臂梁208的谐振频率变化情况。
55.通过上述的电学测量方式，在待测磁场变化时，便可根据悬臂梁208的谐振频率变化曲线，测量得到待测磁场的场强信息。具体的，剔除谐振频率随待测磁场变化呈非线性变化的部分，仅保留谐振频率随待测磁场变化呈线性变化的部分，得到保留的部分被称为特征区域。特征区域为磁传感器2的工作区间，工作区间对应的磁场范围即为磁传感器2测量得到的待测磁场的磁场场强范围。
56.由上述实施例描述可知，本技术实施例通过磁传感器在待测磁场下产生测量信号，测量信号的大小与悬臂梁208的悬浮部分的形变有关，将测量信号输入到测量电路中进行计算可得到待测磁场的场强信息，准确高效地实现了根据悬浮部分的形变测量待测磁场的场强。
57.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
58.上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
59.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。