微机电系统.docx

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微机电系统

一、前言

磁性传感器在工业、军事、航空航天、生活消费等方面都有广泛应有应用，与人类的生活关系密切。

随着航空航海定位和小型卫星技术的发展，要求大幅降低磁性传感器的体积和重量。

利用EMS（microelectro—mechanicalsystems）技术制备出的微型磁通门传感器具有性能优良、结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点，很多相关研究工作开展起来¨。

并在地磁研究、地质勘探、空间磁场测量、小卫星定位、航空航海定位、武器侦察及材料无损探伤等领域广泛应用，成为磁通门器件新的发展方向。

二、微型磁通门传感器的工作原理及结构设计

2.1磁通门传感器的工作原理

理论上而言，由具有非线性磁化曲线的软磁材料，如坡莫合金、非晶／微晶、纳米晶等制成的磁芯，在励磁线圈中的周期性的交变电流和环境直流或准直流磁场的共同作用下，受到过饱和地磁调制，在包裹磁芯的检测线圈中会产生周期性的感生电动势，这个感应电动势不仅含有和励磁电流同频率的基波分量，还含有高次谐波。

其中，偶次谐波是和环境磁场存在某种确定的数量关系的。

当没有环境磁场存在时，输出信号中没有偶次谐波分量；当存在环境磁场，并且当环境磁场远小于磁芯的饱和磁化强度时，偶次谐波（特别是二次谐波）和环境磁场近似线性关系。

这就是磁通门原理。

如图2．1所示，如果励磁电流逐渐增

加至足够大，使得磁芯已进入过饱和状态，由于磁芯的磁阻急剧增大，环境磁场被排斥出磁芯；如果励磁电流逐渐减小，使得磁芯脱离饱和状态，环境磁场将被磁芯吸收进入磁芯。

在交变的励磁电流的作用下，环境磁场反复的被磁芯吸收和排斥，其产生的磁通将在检测线圈中产生感应电动势。

2.2微型磁通门式传感器的结构设计

根据上面提到的设计原则，同时考虑现有的微细加工水平，我们设计了一种新型的微型磁通门式传感器。

其中磁芯设计为矩形环状的闭合结构，磁芯每条边上缠绕有3组线圈，可以选择性地作为激励线圈、检测线圈或者补偿线圈，同时线圈间的不同的连接方式可以形成差动形式，提高器件的灵敏度。

微型磁通门式传感器的具体结构包括四个部分：

基体，线圈，绝缘体和磁芯。

如图2．2所示。

（1）基体

基体材料选用氧化过的2英寸的单晶硅硅片。

每个芯片单元的尺寸（切割尺寸）为1cm×lcm×2mm（长×宽×高）。

（2）磁芯

磁芯是具有矩形环状的闭合结构，这样的结构对于磁通来说具有闭合磁路,从而减小了磁漏.磁芯的材料选用坡莫合金（Ni／Fe，Ni约80％）,其磁性能为各向同性，确保方向结构和电气性能参数的对称。

（3）绝缘体

在磁芯和线圈之间由绝缘体材料填充，为一个内含空腔的封闭结构。

绝缘材料选用绝缘良好性能的正性光刻胶，经过处理后起到隔离支撑和电气绝缘的双重作用。

（4）线圈

磁芯四周共12个线圈，每边3个。

线圈以螺绕方式缠绕在被绝缘过的磁芯上。

在微细加工过程中，每个线圈都是在相同的工艺步骤中形成，所以电气参数都是相同的。

每一个线圈都可以作为激磁、检测或者补偿线圈。

线圈的旋向都相同，对于结构中心和两条正交轴线来说具有对称性。

根据制作工艺的特点，线圈由三部分组成：

底层导线、立柱导线和顶层导线。

底层导线和顶层导线通过立柱连接起来，最终形成线圈结构。

三、微型磁通门式传感器的制作

根据上面的工艺流程，我们将微型磁通门传感器的制作分为以下四个部分来介绍：

1、基片预处理；

2、立柱导线、底层导线和第一层绝缘层的制作；

3、Ni／Fe合金磁芯和第二层绝缘层的制作；

4、顶层导线的制作。

3.1基片预处理

一．硅片的清洗

1．将抛光片放入体积比硫酸：

过氧化氢=1：

1中煮沸10一15min，用去离子水冲洗。

2．煮2号清洗液（去离子水：

过氧化氢：

盐酸=8：

2：

1）煮10一15min，将洗净的抛光片用去离子水冲洗干净。

3．将硅片放入装有丙酮的器皿里进行超声清洗2min，再用去离子水反复冲洗，然后放入烘箱中120℃烘20min去除水蒸气。

二．硅片的氧化

由于微型磁通门式传感器的基体表面要求绝缘，因此需要在硅片表面氧化一层二氧化硅作为绝缘层。

湿法氧化具有时间短、氧化质量高的优点，在实验中使用湿法氧化制备二氧化硅绝缘层，其厚度为500nm。

3.2立柱导线、底层导线和第一层绝缘层的制作

一、立柱导线的制作

为了避免气泡产生，我们将立柱导线的制作放在第一步，其工艺如图3.1所示。

图3．1立柱导线的制作工艺

（一）底层种子层的制备

由于电镀铜立柱导线和制作底层导线都需要金属种子层，因此首先要制备底层种子层，如图3.1中

（2）所示。

氧化后的硅片在制备种子层之前需要进行清洁处理，如果表面附着杂质的话，会使溅射镀上的种子层薄膜产生脱落等不利影响。

将氧化后的硅片放入丙酮中超声清洗2min，除去表面可能存在的杂质，然后放入烘箱中80℃下烘10min，去除表面残留的丙酮。

种子层为Ti／Au两层金属薄膜，其中钛膜作为粘附层提高金膜与基底的粘附性，金膜作为导电层完成电镀及导线制作。

我们在实验中使用LDJ一2A—F150型号双离子束溅射镀膜机制备种子层，氩气为工作气体，镀膜前首先要用辅助离子源对基片表面进行清洗以增加粘附性，然后依次用主离子源溅射钛、金两种金属。

（二）．立柱导线电镀模具的制备

立柱导线的电镀模具是光刻胶模具，通过以下几个工艺制备。

1．旋涂光刻胶：

在旋涂光刻胶之前，需要将溅射过种子层的基片用氧等离子体处理1min左右，提高基片与光刻胶的粘附性。

由于铜立柱导线高度要求在10µm左右，因此我们选择较为常用的正性光刻胶AZ9260甩胶参数为低速500rpm旋转9s和高速1500rpm旋转30s，得到光刻胶层厚度为10-12µm。

旋涂光刻胶之后，必须经过前烘，这一步的作用是除去胶中的大部分溶剂，并使胶的曝光特性固定。

对于AZ9260，前烘的工艺参数是热台100℃烘10min。

2．紫外曝光：

在旋涂、前烘光刻胶完成之后，在胶层上盖上掩模进行接触

式紫外曝光，曝光参数为：

G线，时间300s（为了使胶完全曝透，曝光剂量适当过量）。

3．显影：

正胶在紫外曝光之后进行显影，一般都是使用碱性显影液，如KOH或者Na0H溶液。

对于AZ9260，使用6‰的NaOH溶液，显影时间3min。

显影过后将样片放入去离子水中漂洗后用氮气吹干。

（三）．电镀铜立柱导线

由于后面底层导线图形的套刻也需要在这层光刻胶上完成，因此立柱导线电镀的整个过程都是在曝光间完成的。

在电镀之前首先需要用氧等离子体对样片处理15s，除去模具孔中可能残余的光刻胶，使种子层完全裸露出来。

电镀铜的装置与第三章中电镀Ni／Fe合金的装置基本一致，阳极采用铜板。

当铜立柱导线的高度达到10µm时，将样品从电镀液中取出用去离子水冲洗后，用氮气吹干。

二、底层导线的制备

电镀立柱导线的光刻胶模具不需要除去，而是直接在其上盖掩模进行紫外套刻，套刻的对准标记为十字组对准标记（实验中所有套刻工艺均用该标记）。

曝光参数为：

G线，300s。

同前面一样，曝光完成之后用6‰的NaOH溶液显影，时间3min，然后用去离子水冲漂洗，氮气吹干。

3.3Ni／Fe合金磁芯和第二层绝缘层的制作

一、Ni／Fe合金磁芯的制作

第一层绝缘层制作完成之后，将底层导线完全覆盖住，保证底层导线与磁芯之间绝缘。

然后在第一层绝缘层上制作磁芯，Ni／Fe合金磁芯的制作工艺如图3.2所示。

与立柱铜导线的制作上艺一样，制作磁芯也包括种子层、电镀模具和电镀金属三部分工艺，此外还有一步离子束刻蚀工艺。

但是其中的工艺细节与前面又有所不同，下面将一一介绍。

图3.2Ni／Fe合金磁芯制作工艺

（一）．制备中间种子层

中间种子层的制备也是采用溅射镀膜的方法，如图3.2中

（2）所示，不过为了提高与光刻胶绝缘层之间的黏附性，我们选择Cr／Au薄膜作为中间种子层，Cr膜作为会膜与绝缘层的黏附层，Au膜作为导电层完成电镀。

镀膜前样片先后要用氧等离子体和溅射镀膜机的辅助离子源处理一下，然后依次用主离子源溅射铬和金两层金属薄膜。

（二）．磁芯电镀模具的制备

磁芯的电镀模具也是光刻胶结构的模具，光刻胶选用Az9260正胶，为了避免电镀磁芯的同时铜立柱导线上也电镀上Ni／Fe合金，旋涂光刻胶的厚度要超过10µm，保证铜立柱被完全覆盖。

同前面一样，旋涂光刻胶前样片先要用氧等离子体处理1min，增加胶与基体的黏附性。

旋涂光刻胶的参数为：

低速500rpm旋转9s和高速1200rpm旋转30s，胶厚15µm。

前烘参数为：

100℃热台，烘10min。

（三）．电镀磁芯

我们对Ni／Fe合金电镀工艺已近进行了讨论，得到了电镀性能良好镀层的工艺条件。

磁芯电镀工艺中的Ni／Fc电镀液配方和电镀条件完全与第三章相同。

这需要补充的是：

电镀前应用氧等离子体处理样片15s，确保除去模具中未显净的残胶，使种子层完全露出来；电镀过程中要注意控制磁芯层的厚度，在磁芯厚度达到5µm左右时即停止电镀。

电镀完成后，将样片用去离子水冲洗后氮气吹干。

（四）．去除光刻胶模具及中间种子层

电镀完磁芯后需要用丙酮将光刻胶模具溶解去除。

由于未电镀磁芯的中间种子层部分的存在使铜立柱导线与磁芯导通，因此还需要用离子束刻蚀的方法将多余的种子层刻蚀掉。

刻蚀前先用氧等离子体处理样品，保证光刻胶模具完全去除干净，刻蚀时间为连续刻蚀20min。

二、第二层绝缘层的制作

第二层绝缘层将磁芯包裹起来与顶层导线绝缘，同时又起到支撑顶层导线的作用。

其制作工艺如图3.2所示。

图3.2第二层绝缘层制作工艺

由于电镀磁芯的厚度在5µm左右，因此绝缘层的材料可以选择AZ9260正性光刻胶，旋涂光刻胶前样片要用氧等离子体处理1min，提高与胶的黏附性。

旋涂光刻胶的参数为：

低速500rpm旋转9s和高速1700rpm旋转30s，胶厚8—9µm。

前烘参数为：

100℃热台，烘10min。

与制作第一层光刻胶一样，旋涂第二层绝缘层时也会出现将铜立柱导线顶端覆盖住的问题，因此需要对样片掩模进行紫外套刻，给铜立柱顶端“开窗”，如图3.2中（3）所示。

紫外曝光的参数为：

G线300s（剂量适当过量，确保完全曝透）。

显影用6％。

的NaOH溶液，时间3min，然后将样片用去离子水漂洗。

3.4顶层导线的制作

顶层导线的光刻胶图形制作完成后，用离子束刻蚀的方法将导线图形转移到顶层种子层上。

刻蚀前样片用氧等离子体处理15s，确保除去可能未显净的残胶。

离子束刻蚀的参数与前面相同，同时注意每刻蚀1min暂停几分钟用于散热，避免光刻胶发生交联。

最后，用丙酮除去光刻胶掩模，就得到了与铜立柱导线连通的金属结构的顶

层导线，最终完成了线圈缠绕磁芯的结构。

制作完成的微型磁通门式传感器的尺寸大概为7×7mm2，图3.3给出了传感器的全貌照片。

微型磁通门式传感器的性能指标为：

激励电压．5V～+5V，测量范围:

-1Gs～+1Gs，分辨率10nT左右。

图3.3微型磁通门式传感器的全貌照片

微机电系统

微型磁通门传感器的研制

姓名：

张晓强

学号:

2009341