一种用于强磁场测量的梳齿状微传感器及制备方法与流程

本发明属于微传感器技术领域，具体涉及一种用于竖直方向强磁场测量的梳齿状微传感器（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的挑战。

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定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竖直磁场的测量，本发明提供一种用于强磁场测量的梳齿状微传感器结构。

一种用于强磁场测量的梳齿状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1，在抛光了的一侧上设有1um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2；

所述传感器本体包括soi晶片，所述soi晶片分为主体、一对测量电极体和一对驱动电极体，一对测量电极体位于主体的x方向的两侧，一对驱动电极体位于主体的y方向的两侧；一对测量电极体和主体之间为齿状交错结构配合结构，一对驱动电极体和主体之间为齿状交错配合结构；

所述soi晶片为复合材料片，由380um厚的硅层16、1um厚的氧化硅层4和20um厚的硅材料层3组成；在主体上去除了380um厚的硅层16的祼露出来的1um厚的氧化硅层4上的两边分别设有一根电容引线11，两边的电容引线11呈对称状态，每根电容引线11的两侧对称设有两根以上的金属线12；所述电容引线11的长度方向和金属线12的长度方向为传感器本体的y方向；

在主体上去除了380um厚的硅层16和1um厚的氧化硅层4的祼露出来的20um厚的硅材料层3上设有一对电容接触电极7、两对电容引线电极8、两对金属线电极9；一对电容接触电极7对称位于主体的两侧，每只电容接触电极7的两端分别连接着电容引线11的中部；一对电容引线电极8分别连接着对应一侧的电容引线11的两端，另一对电容引线电极8分别连接着对应另一侧的电容引线11的两端，且分别位于主体的两端；一对金属线电极9分别连接着对应一侧的两根以上的金属线12的两端，另一对金属线电极9分别连接着对应另一侧的两根以上的金属线12的两端，且分别位于主体的两端；

在一对测量电极体的去除了380um厚的硅层16和1um厚的氧化硅层4的祼露出来的20um厚的硅材料层3上设有一对测量电极5；

在一对驱动电极体的去除了380um厚的硅层16和1um厚的氧化硅层4的裸露出来的20um厚的硅材料层3上设有一对驱动电极6；

所述封盖呈盒盖状，内表面设有纳米吸气剂层15；

所述基底、传感器本体和封盖通过键合形成内部真空的梳齿状微传感器。

制备一种用于强磁场测量的梳齿状微传感器的步骤如下：

（1）.在500um厚的单面抛光晶片1的抛光一侧上用深反应离子刻蚀技术刻蚀1um深的腔体，在设有腔体的抛光了的整个表面采用剥离技术生长第一氧化硅层2；

（2）.在温度200℃下，将soi晶片的20um厚的硅材料层3和所述单面抛光晶片1的第一氧化硅层2一侧直接键合；

（3）.用深反应离子刻蚀去除soi晶片上的380um硅层16，并对裸露出来的1um氧化硅层4进行刻蚀去除的图形化处理，图形化了的部分暴露出20um厚的硅材料层3，未图形化的1um厚的氧化硅层4部分呈凸起状态；

（4）.在soi晶片上暴露出的20um厚的硅材料层3上采用剥离技术生长一对测量电极5、一对驱动电极6、一对电容接触电极7、两对电容引线电极8、两对金属线电极9；

（5）.在所述金属线电极9中部设有隔离氧化层10，且隔离氧化层10的两侧分别连接着1um厚的氧化硅层4；

（6）.在未图形化的1um厚的氧化硅层4上同样采用剥离技术生长电容引线11和金属线12；隔离氧化层10作为电容引线11与金属线电极9之间的隔离层，使电容引线11连接到电容引线电极8，避免因两通电体靠太近形成额外的耦合电容、放电、电流互通等对结构的信号干扰；

（7）.用深反应离子刻蚀技术刻蚀去除图形化1um厚的氧化硅层4上裸露出来的20um厚的硅材料层3，形成主体和一对测量电极体之间的齿状交错配合结构，以实现主体相对于一对测量电极5在x方向的移动；形成主体和一对驱动电极体之间的齿状交错配合结构，以实现主体相对于一对驱动电极6在x方向的移动；并去除电容引线11与其两侧相邻的金属线电极9之间的20um厚的硅材料层3，使电容引线11两侧和金属线12之间为刻蚀后的悬空状态，分别形成空腔，得到传感器本体；

（8）.在另一硅片13上用深反应离子刻蚀腔体，呈盒盖状，在腔体边缘凸起的表面采用剥离技术生长第二氧化硅层14，在腔体的内表面沉积一层纳米吸气剂层15；得到封盖；

（9）.在温度200℃下，将封盖和传感器本体直接键合，形成完整的内部真空的梳齿状微传感器。

进一步限定的技术方案如下：

步骤（4）中，在soi晶片上暴露出的20um厚的硅材料层3上采用剥离技术生长出一对测量电极5、一对驱动电极6、一对电容接触电极7、两对电容引线电极8、两对金属线电极9。

步骤（8）中，在硅片13的腔体边缘凸起的表面采用剥离技术生长出第二氧化硅层14。

其中，剥离技术是首先在衬底上涂光刻胶，并光刻出所需结果的图形结构，然后在光刻后的整个凹凸表面上生长金属材料，使得在有光刻胶的地方，金属薄膜形成在光刻胶上，而没有光刻胶的地方，金属薄膜直接形成在衬底上。当使用溶剂去除衬底上的光刻胶时，不需要的金属就随着光刻胶的溶解而脱落在溶剂中，只有衬底上的金属部分保留下来形成所需图形。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明的功能优点：

为了能在托卡马克中正常工作并检测其内部磁场大小，该梳齿状传感器首先要能承受内部强磁场强辐射高低温的恶劣环境。再者，由于托卡马克内部存在因等离子体加速运动产生的磁场、2-3t的环向稳定场、0-几千高斯的极向场三者复合作用且变化不确定的综合强磁场。由于该强磁场的方向大小的不确定，对于任意一个点处的z方向的磁场分量都有可能达到特斯拉量级，甚至达到2-3t。要检测出该磁场值，梳齿状传感器对磁场的测量范围需在特斯拉量级，且除了磁场大小，方向也是需要求解的。对于该梳齿状传感器，当有垂直于传感器平面的z向磁场分量作用时，传感器就会移动产生输出量，即通过电路检出反推出来的磁场大小，也就是该所测总磁场的z分量的值。

2.本发明的微传感器结构的优点：

托卡马克内等离子体加热电离的电流可达1ma，在等离子体高速旋转运动时，会产生大量的热量，为防止该梳齿状传感器被置于托卡马克内部测量磁场时，结构中某些材料受热挥发影响真空室内空气的纯洁度真空度，或是挥发的物质与等离子碰撞产生杂质或影响等离子体电离，该梳齿状传感器所用的所有材料都必须不具有挥发性，以防止托卡马克内部污染。

传感器制备最后一步是将基底、主体、封盖通过键合形成封闭环境，通过纳米吸气剂使内部达到真空，这样器件本体结构封装在真空的内部环境并工作，可提高磁场测量结果的准确率。

通过软件的仿真计算，在磁场仅变化10高斯时，传感器受力变化也能引起微弱可检测的电容输出变化量，即通过这微弱可检测的电容输出变化量就能反推出10高斯的磁场微小变化，说明传感器具有较高的分辨率。

3.本发明工艺的优点：

该梳齿状传感器的制备工艺与已经相当成熟的mems制备工艺兼容，故传感器流片制备起来会相对来说非常方便。而且该工艺的重复性较好，通过定制掩膜版，再在所需的不同掩膜版的辅助作用下进行光刻、沉积等工艺步骤，可节省大量的时间，且能批量生产，减少了单个传感器的成本。而且该梳齿状传感器的器件尺寸小，通过在pcb板上与不同功能的集成电路配合连接，可制备较多轻巧便携功能性强的物件。

附图说明

图1是测量z方向强磁场的梳齿状微传感器结构的三维示意图。

图2是图1中件11与图1中件8连线时件10所处位置及结构的三维示意图。

图3是图1中件7与图1中件11接口处氧化层的结构图。

图4是该结构a向剖面的工艺步骤（1）示意图。

图5是该结构a向剖面的工艺步骤（2）示意图。

图6是该结构a向剖面的工艺步骤（3）示意图。

图7是该结构a向剖面的工艺步骤（4）、步骤（5）示意图。

图8是该结构a向剖面的工艺步骤（6）、步骤（7）示意图。

图9是该结构a向剖面的工艺步骤（8）示意图。

图10是该结构a向剖面的工艺步骤（9）示意图。

上图中序号：1.单面抛光晶片，2.第一氧化硅层，3.硅材料层，4.氧化硅层，5.测量电极，6.驱动电极，7.电容接触电极，8.电容引线电极，9.金属线电极，10.隔离氧化层，11.电容引线，12.金属线，13.硅片，14.第二氧化硅层，15.纳米吸气剂，16.硅层。

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描述。

实施例1

一种用于强磁场测量的梳齿状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1，其中抛光了的一侧上采用深反应离子刻蚀技术刻蚀1um深的腔体，在设有腔体的抛光了的整个表面采用剥离技术生长第一氧化硅层2。

参见图1，传感器本体包括soi晶片，所述soi晶片分为主体、一对测量电极体和一对驱动电极体，一对测量电极体位于主体的x方向的两侧，一对驱动电极体位于主体的y方向的两侧；一对测量电极体和主体之间为齿状交错配合结构，一对驱动电极体和主体之间为齿状交错配合结构。

所述soi晶片为复合材料片，由380um厚的硅层16、1um厚的氧化硅层4和20um厚的硅材料层3组成；在主体上去除了380um厚的硅层16的祼露出来的1um厚的氧化硅层4上的两边分别设有一根电容引线11，两边的电容引线11呈对称状态，每根电容引线11的两侧对称设有两根以上的金属线12；所述电容引线11的长度方向和金属线12的长度方向为传感器本体的y方向。

参见图2和图3，在主体上去除了380um厚的硅层16和1um厚的氧化硅层4的祼露出来的20um厚的硅材料层3上设有一对电容接触电极7、两对电容引线电极8、两对金属线电极9；一对电容接触电极7对称位于主体的两侧，每只电容接触电极7的两端分别连接着电容引线11的中部；一对电容引线电极8分别连接着对应一侧的电容引线11的两端，另一对电容引线电极8分别连接着对应另一侧的电容引线11的两端，且分别位于主体的两端；一对金属线电极9分别连接着对应一侧的两根以上的金属线12的两端，另一对金属线电极9分别连接着对应另一侧的两根以上的金属线12的两端，且分别位于主体的两端。

在一对测量电极体的去除了380um厚的硅层16和1um厚的氧化硅层4的祼露出来的20um厚的硅材料层3上生长形成一对测量电极5；一对测量电极5相对与主体在x方向为齿状交错配合结构，以实现主体由于金属线在磁场下通电产生的洛伦兹力作用下发生x方向的移动，改变主体两侧的梳齿结构与一对测量电极5上的梳齿结构间侧面重叠面积。

在一对驱动电极体的去除了380um厚的硅层16和1um厚的氧化硅层4的裸露出来的20um厚的硅材料层3上生长形成一对驱动电极6；一对驱动电极6在相对于主体的y方向与主体之间形成齿状交错配合结构，以实现主体由于驱动电极6上的梳齿结构和主体上的梳齿结构通入的异性电荷产生静电力发生x方向的微移动，改变驱动电极6上的梳齿结构和主体上的梳齿结构之间的间距。

封盖呈盒盖状，内表面设有纳米吸气剂层15。

基底、传感器本体和封盖通过键合形成内部真空的梳齿状微传感器，封盖内表面的纳米吸气剂层15能将内部空腔中的活性气体吸收掉，以形成真空的内部环境。

本发明的工作原理说明如下：

给一对驱动电极6输入相同大小的信号v0，使得与驱动电极体相连的梳齿状结构带有v0的信号。给一对测量电极5输入相同大小的信号v1，使得与测量电极体相连的梳齿状结构带有v1的信号。给两对电容引线电极8输入相同大小的信号v2，通过电容引线电极8、电容引线11、电容接触电极7，使得主体上的梳齿状结构带有v2的信号，故主体上靠近驱动电极一侧的梳齿状结构与驱动电极体相连的梳齿状结构间两两对应形成静电力，使得主体上的梳齿结构与驱动电极体上的梳齿结构之间有间距缩短或增大的趋势。主体上靠近测量电极一侧的梳齿状结构与测量电极体相连的梳齿状结构间两两对应形成以真空为介质的平板电容初值。选定任意一个驱动电极体x方向两侧的一对金属线电极9为正极，另一对金属线电极9为负极，给这对金属线电极9输入交变信号i3，使这一对金属线电极9间形成相同的电势差，使得两端分别连接着正极金属线电极9和负极金属线电极9的每根金属线12上都形成从正极金属线电极9流向负极金属线电极9的交变电流；即所有金属线12都通入大小相等方向相等的交变电流。

当出现z方向磁场时，主体上的金属线12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12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表示每根金属线12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12上从正极金属线电极9流向负极金属线电极9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，即每根金属线12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。

故主体在静电力和洛伦兹力的复合作用下随某一频率在x方向上交替移动。当主体在x方向上产生位移时，其中一个测量电极5上的梳齿状结构与主体上靠近这一侧测量电极的梳齿状结构之间的侧向重叠面积增大，故该两两相对的梳齿状结构形成的平板电容值根据式c=εs/4πkd增大。其中，ε表示相对介电常数，真空的相对介电常数为1，k表示静电常数，值为8.988×10⁹n∙m²/c²。相应的靠近另一个测量电极5的主体上的梳齿状结构与该测量电极上的梳齿状结构之间的交叠面积减少，故两两相对的梳齿状结构形成的平板电容值根据公式也将减小。靠近其中一个驱动电极6的主体上的梳齿状结构与该驱动电极6上的梳齿状结构之间的距离增大，故两两相对的梳齿状结构形成的平板电容值根据公式减小。相应的靠近另一个驱动电极6的主体上的梳齿状结构与该驱动电极6上的梳齿状结构之间的距离也增大，故两两相对的梳齿状结构形成的平板电容值根据公式减小。

通过理论建立起主体上的梳齿状结构在x方向的位移距离∆x与洛伦兹力f之间的关系，再根据位移距离∆x与平板电容值c之间关系和洛伦兹力f与磁场b关系，从而建立起平行板电容差值∆c与磁场b之间的关系，故只需要借助外部设备测量测量电极体上梳齿结构上电容变化量就可计算出所处环境的磁场值大小。

实施例2

制备一种用于强磁场测量的梳齿状微传感器的步骤如下：

（1）.参见图4，在500um厚的单面抛光晶片1的抛光了的一侧上用深反应离子刻蚀技术刻蚀1um深的腔体，在设有腔体的抛光了的整个表面采用剥离技术生长第一氧化硅层2。

（2）.参见图5，在温度200℃下，将soi晶片的20um厚的硅材料层3和所述单面抛光晶片1的第一氧化硅层2直接键合。

（3）.参见图6，用深反应离子刻蚀去除soi晶片上的380um硅层16，并对裸露出来的1um氧化硅层4进行刻蚀去除的图形化处理，图形化了的部分暴露出20um厚的硅材料层3，未图形化的1um厚的氧化硅层4部分呈凸起状态。

（4）.参见图7，在soi晶片上暴露出的20um厚的硅材料层3上采用剥离技术生长一对测量电极5、一对驱动电极6、一对电容接触电极7、两对电容引线电极8、两对金属线电极9。

（5）.参见图7和图2，在所述金属线电极9中部采用剥离技术生长隔离氧化层10，且隔离氧化层10的两端分别连接着1um厚的氧化硅层4。

（6）.参见图8，在未图形化的1um厚的氧化硅层4上采用剥离技术生长形成电容引线11和金属线12；隔离氧化层10作为电容引线11与金属线电极9之间的隔离层，使电容引线11连接到电容引线电极8，避免因两通电体靠太近形成额外的耦合电容、放电、电流互通等对结构的信号干扰。

（7）.参见图8和图1，用深反应离子刻蚀技术刻蚀去除图形化1um厚的氧化硅层4上裸露出来的20um厚的硅材料层3，形成主体和一对测量电极体之间的等间距齿状交错结构，以实现主体相对于一对测量电极5在x方向的移动；形成主体和一对驱动电极体之间的齿状交错结构，以实现主体相对于一对驱动电极6在x方向的移动；并去除电容引线11与其两侧相邻的金属线电极9之间的20um厚的硅材料层3，使得金属线12和电容引线11之间为刻蚀后的悬空状态，形成空腔，得到传感器本体。

（8）.参见图9，在另一块硅片13上用深反应离子刻蚀腔体，呈盒盖状，在腔体边缘凸起的表面采用剥离技术生长第二氧化硅层14，在腔体的内表面沉积设有纳米吸气剂层15；得到封盖。

（9）.参见图10，在温度200℃下，将封盖和传感器本体直接键合，形成完整的内部真空的梳齿状微传感器。