一种用于强磁场测量的平面扭转式微传感器的制作方法

本发明属于微传感器技术领域，具体涉及一种用于x、y方向强磁场测量的平面扭转式微传感器（mems）的结构设计及其制备工艺。

背景技术：

随着世界经济的飞速发展和世界人口的增加，人类对能源的需求也越来越大，聚变能源的开发和利用是最有希望从根本上解决人类能源问题的方法，其中基于托卡马克装置的磁约束聚变研究是目前最有可能实现聚变能应用的途径之一，托卡马克装置实际上就是一个复杂的高温强辐射电磁系统，它利用多种磁体线圈产生的磁场编织成一个“磁笼”，利用带电粒子在磁场中做拉莫运动的性质，将高温等离子体约束在“磁笼”中，并附加各类辅助加热手段，使等离子体加热到一定温度，发生聚变反应。在托卡马克之中，磁场的来源主要有约束磁场和等离子电流形成的感生磁场，而感生磁场会随着电流的变化而变化，对其内部等离子体产生的感生磁场大小、位置、形状的精确测量和控制是个极大挑战。

磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。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。利用人工设置的永久磁体产生的磁场，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。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业不可缺少的基础原件。目前，人们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。

目前国内外用于特斯拉量级的稳态强磁场测量的传感器极少。

曾惠等人针对肿瘤热疗发生装置中产生的中频强磁场设计了一种三维传感器。这种传感器可测量空间三坐标磁场分量，合成磁场矢量。但这里所述的强磁场也只能达到300高斯，远远不能满足托卡马克内部强磁要求。

elinakuisma等人研究设计了一种传感器，其灵敏度、分辨率都较高，且测量磁场能达到10特斯拉。但其温度依赖性较大，耐辐射性较差，辐射后会导致该传感器的品质因数降低，不适合托克马克内部高温、强辐射的环境。

本发明主要就是针对托卡马克复杂的内部环境设计的。既能实现强磁场的测量，也能克服托卡马克内部恶劣的环境干扰。

技术实现要素：

为了实现托卡马克的强磁场下的x、y方向强磁场的测量，本发明提供一种用于强磁场测量的平面扭转式微传感器结构。

一种用于强磁场测量的平面扭转式微传感器包括依次连接的基底、传感器本体和封盖；

所述基底为500um厚的单面抛光晶片5，在抛光了的一面刻蚀出1.2um深的腔体，在设有腔体的抛光了的整个表面生长第一氧化硅层6；

所述传感器本体以soi晶片1为基础制备得到，传感器本体分为线圈电极锚区、扭转平面、电容电极锚区三部分；所述扭转平面的长度方向为x方向，宽度方向为y方向，扭转平面中部的y方向两侧分别向内凹，所述线圈电极锚区位于扭转平面中部的y方向一侧外部；所述电容电极锚区位于扭转平面中心的y方向另一侧外部；

所述soi晶片1为复合材料片，由380um厚的硅层9、1um厚的氧化硅层10和20um厚的硅材料层2组成；在扭转平面底面的硅材料层2上依次设有第二氧化硅层3和电容上极板层4，在扭转平面底面的氧化硅层10上设有金属线圈11和中心电极25，所述中心电极25位于扭转平面的中心，金属线圈11位于中心电极25的外周；

在线圈电极锚区的氧化硅层10上设有引入电极26和引出电极12，所述引入电极26连接着金属线圈11，所述引出电极12通过收尾金属16连接着金属线圈11；

在电容电极锚区的氧化硅层10上设有第一电容电极23和第二电容电极24，所述第一电容电极23穿过氧化硅层10和硅材料层2连接着双层金属层8；所述第二电容电极24通过电容引线27连接着中心电极25；

所述封盖呈盒盖状，内表面设有纳米吸气剂层20；

所述基底、传感器本体和封盖通过键合形成内部真空的平面扭转式微传感器。

制备一种用于强磁场测量的平面扭转式微传感器的步骤如下：

（1）.在传感器本体的soi晶片1的硅材料层2一侧采用深反应离子刻蚀技术图形化刻蚀1um深的腔体，并采用剥离技术在硅材料层2上分别图形化生长400nm的氧化硅层3和电容上极板层4；

（2）.在基底的单面抛光晶片5的抛光了的一侧上采用深反应离子刻蚀技术刻蚀1.2um深的腔体，使单面抛光晶片5呈“凹”字形状，并在刻蚀腔体后的整个硅材料表面生长400nm厚的第一氧化硅层6，再用剥离技术在腔体内表面的第一氧化硅层6上生长电容下极板层7；在电容下极板层7上采用剥离技术生长给电容下极板层7通电的块状的双层金属层8；

（3）.在温度200℃下，将传感器本体的腔体一侧和基底的腔体一侧直接键合，再用反应离子刻蚀技术完全去除soi晶片1中380um厚的硅层9；

（4）.在soi晶片1的1um厚的氧化硅层10上，采用硅通孔技术（tsv）在扭转平面的正中心打一个贯通电容上极板层4的上极板通孔14，同时打一个贯通双层金属层8的下极板通孔13，并在通孔壁上生长一层第三氧化硅层17，作为隔离层，防止后续通孔通电后使扭转平面的硅板带电，影响计算结果或产生电学干扰；再向上极板通孔14和下极板通孔13填充金属材料，并对氧化硅层10表面进行化学机械抛光（cmp），使表面平整；

在氧化硅层10顶面溅射生长一层铝材料，并涂上一层光刻胶，所述光刻胶为负胶；并利用对应形状的掩膜版使中心电极25、引入电极26、引出电极12、第一电容电极23和第二电容电极24所在的区域曝光，使曝光区域的光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出铝材料；光刻掉暴露出的铝材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成中心电极25、引入电极26、引出电极12、第一电容电极23和第二电容电极24，得到具有电极的氧化硅层10；所述对应形状的掩膜版为只露出中部中心电极、引入电极26、引出电极12、第一电容电极23、第二电容电极24，其他区域遮挡；

在具有电极的的氧化硅层10的整个顶面溅射生长一层500nm厚的钼材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使金属线圈11所在区域曝光，使曝光区域部分光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出钼材料；光刻掉暴露出的钼材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成金属线圈11；得到具有电极、金属线圈11的氧化硅层10；

（5）.在具有电极、金属线圈11的氧化硅层10的顶面采用磁控溅射生长一层氧化铝材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使局部起隔离作用的氧化铝15所在区域曝光，使曝光区域部分光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出氧化铝材料；光刻掉暴露出的氧化铝材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成起隔离作用的氧化铝15；得到具有电极、金属线圈11和氧化铝15的氧化硅层10；

在具有电极、金属线圈11和氧化铝15的氧化硅层10的顶面溅射生长一层钼材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使收尾金属16所在区域曝光，使这部分光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出钼材料；光刻掉暴露出的钼材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成收尾金属16；

在具有电极、金属线圈11、氧化铝15和收尾金属16的氧化硅层10的顶面溅射生长一层铝材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使电容引线27所在区域曝光，使这部分光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出铝材料；光刻掉暴露出的铝材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成电容引线27；

（6）.释放结构，使线圈电极锚区、扭转平面、电容电极锚区三部分结构分离形成独立区域，构成平面扭转式微传感器的传感器本体结构；

（7）.在封盖的硅片18上用深反应离子刻蚀技术刻蚀腔体，腔体为“凹”字形状，再用剥离技术在“凹”字形状的腔体的两侧凸边的硅材料表面生长一层第四氧化硅层19，在封盖的腔体内表面采用化学气象沉积（cvd）法在硅基上制备大面积均匀的纳米管材料（cnts）；再用直流磁控溅射生长一层200nm厚的ti薄膜来制备纳米吸气剂层20，制成封盖；将封盖与所述传感器本体结构在温度200℃下直接键合，形成完整的封闭真空环境下的平面扭转式微传感器。

进一步限定的技术方案如下：

步骤（2）中，所述双层金属层8的材料为一层100nm厚的铝和一层700nm厚的钼组成，其中铝材料一侧与soi晶片1的硅材料层2一侧相邻，钼材料一侧与电容下极板层7相邻；以使得双金属层8在起到支撑、导电作用的同时，与soi晶片1的硅材料形成欧姆接触，即不产生明显的附加阻抗，使得在工作时大部分的电压降在活动区而不再接触区。采用钼、铝这样的双金属层8可防止铝成堆化生长，防止表面没有光滑的形态，从而不具有良好的欧姆接触。

步骤（4）中，所述金属材料为铜，因为相较于铝及铝合金，铜具有低电阻率和优越的抗电迁徙性能。

步骤（7），所述采用化学气象沉积（cvd）法中，以10nm厚的氧化铝膜和2nm厚的铁膜为催化剂，以81sccm的乙炔（c2h2）为碳源，以566sccm的氩气（ar）和202sccm的氢气（h2）为载气。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.在生长氧化硅层3和电容上极板层4时，为防止后续晶片键合时表面铝杂质的混杂，采用两次剥离技术。

2.传感器本体和基底键合后，电容上极板4和电容下极板7之间的垂直间距很小，因此，之后的工艺都需要在温度250℃以下进行。

附图说明

图1是一种测量x方向磁场的平面扭转式mems结构的三维示意图。

图2是一种测量y方向磁场的平面扭转式mems结构的三维示意图。

图3是图1中件16和件12连线三维示意图。

图4是图1中件25和件24连线三维示意图。

图5是该结构a向剖面的工艺步骤（1）示意图。

图6是该结构a向剖面的工艺步骤（2）示意图。

图7是该结构a向剖面的工艺步骤（3）示意图。

图8是该结构a向剖面的工艺步骤（4）示意图。

图9是该结构a向剖面的工艺步骤（5）示意图。

图10是该结构a向剖面的工艺步骤（6）示意图。

图11是该结构a向剖面的工艺步骤（7）示意图。

上图中序号：soi晶片1、硅材料层2、第二氧化硅层3、电容上级板层4、单面抛光晶片5、第一氧化硅层6、电容下极板层7、双层金属层8、硅层9、氧化硅层10、金属线圈11、引出电极12、下极板通孔13、上极板通孔14、氧化铝15、收尾金属16、第三氧化硅层17、硅片18、第四氧化硅层19、纳米吸气剂层20、第一电容电极23、第二电容电极24、中心电极25、引入电极26、电容引线27。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

一种用于强磁场测量的平面扭转式微传感器包括依次连接的基底、传感器本体和封盖。

基底为500um厚的单面抛光晶片5，在抛光一面设有1.2um深的腔体，在设有腔体的抛光了的整个表面设有第一氧化硅层6；

参见图1，传感器本体以soi晶片1为基础制备得到，传感器本体分为线圈电极锚区、扭转平面、电容电极锚区三部分；所述扭转平面的长度方向为x方向，宽度方向为y方向，扭转平面中部的y方向两侧分别向内凹，所述线圈电极锚区位于扭转平面中部的y方向一侧外部；所述电容电极锚区位于扭转平面中心的y方向另一侧外部；

参见图1，soi晶片1为复合材料片，由380um厚的硅层9、1um厚的氧化硅层10和20um厚的硅材料层2组成；在扭转平面底面的硅材料层2上依次设有第二氧化硅层3和电容上极板层4，在扭转平面底面的氧化硅层10上设有金属线圈11和中心电极25，所述中心电极25位于扭转平面的中心，金属线圈11位于中心电极25的外周；

参见图3，在线圈电极锚区的氧化硅层10上设有引入电极26和引出电极12，所述引入电极26连接着金属线圈11，所述引出电极12通过收尾金属16连接着金属线圈11；

参见图4，在电容电极锚区的氧化硅层10上设有第一电容电极23和第二电容电极24，所述第一电容电极23穿过氧化硅层10和硅材料层2连接着双层金属层8；所述第二电容电极24通过电容引线27连接着中心电极25；

封盖呈盒盖状，内表面设有纳米吸气剂层20；

基底、传感器本体和封盖通过键合形成内部真空的平面扭转式微传感器。

本发明的工作原理说明如下：

引入电极26接正极，引出电极12接负极，以给金属线圈11通入随某一频率变化的交变电流i。给第二电容电极24通入电压v1，通过电容引线27、中心电极25、上极板通孔14使得电容上极板带有v1的电压。给第一电容电极23通入电压v2，通过下极板通孔13、两层金属层8使得电容下极板带有v2的电压。从而在电容上极板和电容下极板之间形成电压差。

当出现x方向磁场时，扭转平面上与y轴平行的这些金属线圈11会受到+z或-z方向的洛伦兹力的作用，并有拖动扭转平面往金属线圈11受力方向运动的趋势。按照洛伦兹力的左手定则判定方法来判定主体所受洛伦兹力的方向。其中，判定方法为：磁场从左手手心穿过，四指指向表示金属线上交变电流的方向，大拇指指向则表示主体所受洛伦兹力的方向。洛伦兹力大小可表示为f＝ibl，其中，l表示每根与y轴平行的金属线圈11在y方向的长度，器件制备完成后，每一根金属线在y方向的长度就为定值，b为所要测量的磁场值，i为金属线圈11上的交变电流，由于i值随某一频率交替变化，故洛伦兹力大小也随这一频率交替变化。由于相对于扭转平面x方向的左侧上的与y轴平行的金属线圈11上交变电流的流向与右侧上的与y轴平行的金属线圈11上交变电流的流向相反，故所受洛伦兹力方向也相反。即相对于扭转平面的x方向的左侧上的与y轴平行的每根金属线圈11都受大小相等方向相同的随某一频率交替变化的洛伦兹力作用，相对于扭转平面的x方向的右侧上的与y轴平行的每根金属线圈11也受大小相等方向相同的随某一频率交替变化的洛伦兹力作用，且左侧和右侧金属线圈所受洛伦兹力方向相反。

故扭转平面在洛伦兹力的作用下以双端固支梁为轴随某一频率在z方向上交替扭转。当扭转平面在z方向上扭转某一角度使平面发生倾斜形变，使得电容上极板不再与电容下极板平行时，电容值也将发生变化，不再是最初时平行电容板的初始值。通过理论建立起扭转平面上的电容上极板形变后与电容下极板之间的电容值与磁场b的关系，因此通过借助外部设备测量非平行电容值就可推算出所处环境中的x方向磁场分量大小。

对于y方向磁场分量的测量也是一样的原理。

实施例2

制备用于强磁场测量的平面扭转式微传感器的步骤如下：

（1）.在传感器本体的soi晶片1的硅材料层2一侧采用深反应离子刻蚀技术图形化刻蚀1um深的腔体，并采用剥离技术在腔体内表面上分别图形化生长400nm的第二氧化硅层3和电容上极板层4。电容上极板层4材料为铝材料。

（2）.在基底的单面抛光晶片5上采用深反应离子刻蚀技术刻蚀1.2um深的腔体，使单面抛光晶片5呈“凹”字形状，并在刻蚀腔体后的抛光了的整个硅材料表面生长400nm厚的第一氧化硅层6，再用剥离技术在腔体内表面的第一氧化硅层6上生长铝材料作为电容下极板层7；在腔体外凸起的第一氧化硅层6上采用剥离技术生长给电容下极板层7通电的块状的双层金属层8，其中所述双层金属层8的材料为一层100nm厚的铝和一层700nm厚的钼组成，其中铝材料一侧与soi晶片1的硅材料层2一侧相邻，钼材料一侧与电容下极板层7相邻；以使得双金属层8在起到支撑、导电作用的同时，与soi晶片1的硅材料形成欧姆接触，即不产生明显的附加阻抗，使得在工作时大部分的电压降在活动区而不再接触区。采用钼、铝这样的双金属层8可防止铝成堆化生长，防止表面没有光滑的形态，从而防止不具有良好的欧姆接触。

（3）.在温度200℃下，将传感器本体的腔体一侧和基底的腔体一侧直接键合，再用反应离子刻蚀技术完全去除soi晶片1中380um厚的硅层9。

（4）.在soi晶片1的1um厚的氧化硅层10上，采用硅通孔技术（tsv）在扭转平面的正中心打一个贯通电容上极板层4的上极板通孔14，同时打一个贯通双层金属层8的下极板通孔13，并在通孔壁上生长一层第三氧化硅17，作为隔离层，防止后续通孔通电后使扭转平面的硅板带电，影响计算结果或产生电学干扰；再向上极板通孔14和下极板通孔13填充金属材料，金属材料为铜，因为相较于铝及铝合金，铜具有低电阻率和优越的抗电迁徙性能，并对氧化硅层10表面进行化学机械抛光（cmp），使表面平整；

在氧化硅层10顶面溅射生长一层铝材料，并涂上一层光刻胶，所述光刻胶为负胶；并利用对应形状的掩膜版使中心电极25、引入电极26、引出电极12、第一电容电极23和第二电容电极24所在的区域曝光，使曝光区域的光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出铝材料；光刻掉暴露出的铝材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成中心电极25、引入电极26、引出电极12、第一电容电极23和第二电容电极24，得到具有电极的氧化硅层10；所述对应形状的掩膜版为只露出中部中心电极、引入电极26、引出电极12、第一电容电极23、第二电容电极24，其他区域遮挡；

在具有电极的的氧化硅层10的整个顶面溅射生长一层500nm厚的钼材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使金属线圈11所在区域曝光，使曝光区域光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出钼材料；光刻掉暴露出的钼材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成金属线圈11；得到具有电极、金属线圈11的氧化硅层10。

（5）.在具有电极、金属线圈11的氧化硅层10的顶面采用磁控溅射生长一层氧化铝材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使局部起隔离作用的氧化铝15所在区域曝光，使曝光区域光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出氧化铝材料；光刻掉暴露出的氧化铝材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成起隔离作用的氧化铝15；得到具有电极、金属线圈11和氧化铝15的氧化硅层10；

在具有电极、金属线圈11和氧化铝15的氧化硅层10的顶面溅射生长一层钼材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使收尾金属16所在区域曝光，使这部分光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出钼材料；光刻掉暴露出的钼材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成收尾金属16；

在具有电极、金属线圈11、氧化铝15和收尾金属16的氧化硅层10的顶面溅射生长一层铝材料，并涂上一层光刻胶；利用对应形状的掩膜版使电容引线27所在区域曝光，使这部分光刻胶更加难溶于显影液；将soi晶片1放入显影液中，在显影液的作用下使未曝光区域的光刻胶溶解，使光刻胶图形化，暴露出铝材料；光刻掉暴露出的铝材料，在丙酮溶液中去除曝光区域的光刻胶，形成电容引线27。

（6）.释放结构，使线圈电极锚区、扭转平面、电容电极锚区三部分结构分离形成独立区域，构成平面扭转式微传感器的传感器本体结构。

（7）.在封盖的硅片18上用深反应离子刻蚀技术刻蚀腔体，使硅片18为“凹”字形状，再用剥离技术在“凹”字形状的腔体的两侧凸边的硅材料表面生长一层第四氧化硅层19，在封盖的腔体内表面以10nm厚的氧化铝膜和2nm厚的铁膜为催化剂，以81sccm的乙炔（c2h2）为碳源，以566sccm的氩气（ar）和202sccm的氢气（h2）为载气，采用化学气象沉积（cvd）法在硅基上制备大面积均匀的纳米管材料；其中，纳米吸气剂性能与催化剂材料表面积无关，只与膜厚有关，且sccm为气体质量流量单位，表示每分钟标准毫升；再用直流磁控溅射生长一层200nm厚的ti薄膜来制备纳米吸气剂层20，制成封盖；将封盖与所述传感器本体结构在温度200℃下直接键合，形成完整的封闭真空环境下的平面扭转式微传感器。