專利名稱：一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于微機電系統(tǒng)(MicroElectro Mechanical Systems,MEMS)技術的電渦流傳感器芯片及其制備方法，特別是一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片及其制備方法。
背景技術：
隨著傳感器技術和MEMS技術的不斷進步，有力地促進了非接觸測量技術的發(fā)展，出現了一些基于MEMS技術的非接觸測量的新方法。電渦流傳感器就是諸多測量方法中的一種，基于電渦流效應的傳感器是一種電一磁一電式的傳感器，它的敏感元件由線圈組成。線圈由正弦信號激勵，使它產生一個同頻交變磁場，當被測導體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導體表層，會產生電渦流場，而此電渦流又將產生一交變磁場阻礙外磁場的變化，該變化會影響線圈的阻抗，感抗以及品質因子的變化，然后將這些參數的變化轉變?yōu)殡娏骰蛘唠妷旱亩兓M行測量，則可知被測參數。它的優(yōu)點是長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優(yōu)點等。缺點是只能測量導體，并且在低頻，微位移，微缺陷的情況下，靈敏度欠佳，例如大多數線圈探測時主要對缺陷和裂縫的接近邊緣比較敏感，這會出現大信號將小信號掩蓋的情況。目前，隨著MEMS的技術的發(fā)展出現了越來越多利用不同原理測量的磁力計，例如諧振式磁力計、磁通門式磁力計、霍爾式磁力計等等，MEMS磁力計的測量范圍可以從IT到lfT，其中諧振式磁力計利用洛倫茲力原理在激勵微機械結構產生諧振的傳感器，可以檢測的磁場范圍可以靈敏度高達IT和最大分辨率為InT。磁通門磁力計是利用纏繞在鐵磁核心周圍的激勵和感應線圈之間磁通變化引起的電勢不平衡來測量的，這樣的傳感器可以檢測到靜態(tài)和磁感應強度最大ImT的低頻磁場，最大分辨率可達到ΙΟΟρΤ?；魻柺酱帕τ嫽诨魻栃獋鲗г韥頊y量靜或變化磁場，它的敏感磁場范圍可以從ImT到1T。綜上，磁力計發(fā)展，尤其是針對低磁場測量的磁力計的發(fā)展，為進一步實現諧振式電渦流傳感器提供了基礎。

發(fā)明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片及其制備方法，通過諧振結構的諧振狀態(tài)，來提高電渦流傳感器的靈敏度和分辨力，實現對微位移、微缺陷的精確測量。為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，包括激勵線圈6和諧振結構兩部分，激勵線圈6為矩形平面線圈結構，諧振結構由諧振梁10、直流導線8、拾振電阻7和惠斯通電橋連接構成，諧振結構位于芯片中心，激勵線圈6圍繞于諧振結構，諧振梁10包括中心梁10-3、布置直流導線8的驅動梁10-1和布置檢測電阻的檢測梁10-2，，驅動梁10-1和檢測梁10-2兩端根部通過中心梁10-3連接，拾振電阻7中的第一參考電阻7-1和第二參考電阻7-2位于芯片周圍，第一檢測電阻7-3、第二檢測電阻7-4布置在檢測梁10-2上，四個電阻組成惠斯通電橋；直流導線8沿諧振梁10方向由一端驅動梁10-1接入，從另一端驅動梁10-1接出。所述激勵線圈6采用MEMS技術制作，所采用材料為鋁，其截面為矩形，截面尺寸為寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m，匝數為13 20匝。所述的諧振梁10所使用材料為二氧化硅，沿梁方向呈軸對稱結構，中心梁10-3為兩根，尺寸相同均長800 ΙΟΟΟμπι，寬20 30μπι，厚40 50μπι，兩梁間距80 ΙΟΟμπι ;驅動梁10-1和檢測梁10-2兩部分尺寸相同，均長100 150 μ m，寬20 30 μ m，厚80 90 μ m,兩梁間距100 120 μ m,左右兩部分完全一致。所述直流導線8所采用材料為鋁，截面尺寸寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m?；菟雇姌蛩玫氖罢耠娮?采用離子注入技術對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅，然后采用等離子刻蝕技術刻蝕P型摻雜硅，獲得構成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻。一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片及其制備方法，包括以下步驟:I)使用HF溶液清洗雙面拋光SOI硅片，所述SOI硅片由上層單晶硅1、二氧化硅埋層2和下層單晶硅3組成，其中，二氧化硅埋層2將上層單晶硅I和下層單晶硅3隔離開；2)雙面淀積氮化硅4，淀積厚度為0.1 μ m 0.2 μ m，為后續(xù)濕法腐蝕提供掩蔽和保護；3)在SOI硅片背面光刻，刻蝕去掉背面部分區(qū)域的氮化硅4，為后面形成背腔做準備;4)采用氫氧化鉀各向異性刻蝕下層單晶硅3形成背腔，并腐蝕至二氧化硅埋層2停止;5)用等離子刻蝕技術刻蝕去除位于正面的氮化硅4 ；6)采用離子注入技術對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻7，摻雜濃度為3X 1018cm_3，然后采用等離子刻蝕技術刻蝕P型摻雜硅得到拾振電阻7，以獲得構成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻；7)正面鋪光刻膠5，光刻膠5的厚度為I 5 μ m ;8)刻蝕光刻膠5，形成平面線圈6、直流導線8、內引線9的掩膜圖案；9)濺射沉積鋁，鋁的厚度為I 5μπι，利用剝離工藝，形成激勵線圈6、直流導線8、內引線9，并去除剩余的光刻膠；10)光刻膠形成諧振梁圖案，利用反應耦合等離子體(Inductively CoupledPlasma, ICP)刻蝕形成諧振梁10結構；11)最后經過劃片得到所設計的基于諧振式結構的電渦流傳感器的單個管芯。本發(fā)明的優(yōu)點為:因為采用了諧振式結構用做檢測元件，在諧振狀態(tài)下工作，可以將所測得的信號放大，而不需要在后處理電路中放大，不僅起到了簡化電路的作用，而且可以取得很高的靈敏度和分辨率。


圖1為本發(fā)明諧振式結構的電渦流傳感器芯片的結構圖。圖2為本發(fā)明諧振式結構的電渦流傳感器芯片的諧振梁10的俯視圖。圖3為本發(fā)明諧振式結構的電渦流傳感器芯片的受力示意圖。圖4為本發(fā)明諧振式結構的電渦流傳感器芯片的制備工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做詳細描述:參照圖1和圖2，一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，包括激勵線圈6和諧振結構兩部分，激勵線圈6為矩形平面線圈結構；諧振結構由諧振梁10、直流導線8、拾振電阻7和惠斯通電橋連接構成，諧振結構位于芯片中心，激勵線圈6圍繞于諧振結構，諧振梁10除中心梁10-3外，兩端根部按功能分為驅動梁10-1和檢測梁10-2兩部分，即布置直流導線8的梁為驅動梁10-1，布置檢測電阻的梁為檢測梁10-2，驅動梁10-1和檢測梁10-2兩端根部通過中心梁10-3連接，拾振電阻7中的第一參考電阻7-1和第二參考電阻7-2位于芯片周圍，第一檢測電阻7-3、第二檢測電阻7-4布置在檢測梁10-2上，四個電阻組成惠斯通電橋；直流導線8沿諧振梁10方向由一端驅動梁10-1接入，從另一端驅動梁10-1接出。所述激勵線圈6采用MEMS技術制作，所采用材料為鋁，其截面為矩形，截面尺寸為寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m，匝數為13 20匝。所述的諧振梁10所使用材料為二氧化硅，沿梁方向呈軸對稱結構，中心梁10-3為兩根，尺寸相同均長800 ΙΟΟΟμπι，寬20 30μπι，厚40 50μπι，兩梁間距80 ΙΟΟμπι ;驅動梁10-1和檢測梁10-2兩部分尺寸相同，均長100 150 μ m，寬20 30 μ m，厚80 90 μ m,兩梁間距100 120 μ m,左右兩部分完全一致。所述直流導線8所采用材料為鋁，截面尺寸寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m。所述惠斯通電橋所用的拾振電阻7采用離子注入技術對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅，然后采用等離子刻蝕技術刻蝕P型摻雜硅，獲得構成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻。本芯片的基礎理論為:根據法拉第電磁感應定律，當激勵線圈6由正弦信號激勵，線圈周圍空間必然產生一個同頻交變磁場BI，當被測導體靠近激勵線圈6時，在磁場作用范圍的導體表層，產生了與此磁場相交鏈的電渦流，而此電渦流又將產生一交變磁場B2阻礙外磁場的變化，兩者會形成一個疊加的合磁場B3。當激勵線圈6由正弦信號激勵的同時，同頻交變磁場BI會作用于諧振結構的諧振梁10，諧振梁10上布置有直流導線8，直流導線8上通直流電，根據安培力效應，會在諧振梁10上產生垂直于交變磁場垂直方向和通電導線所處平面的橫向力。F=BIL由于交變磁場的影響，當正弦信號激勵的頻率與諧振結構的諧振頻率相等時，會產生諧振。當發(fā)生諧振時，會引起檢測梁10-2上的應力集中，這時，可以利用施加激勵電壓V的惠斯通電橋測量應變ε造成的檢測電阻的電阻變化AR，繼而惠斯通電橋的測量電壓Vout也會產生變化。
其中G為靈敏系數。參照圖3，本傳感器芯片的工作原理如下:激勵線圈6上加載交流電壓，激勵線圈6會產生與交流電壓頻率相同的交變磁場B1，當被測導體靠近激勵線圈6時，在磁場作用范圍的導體表層，會產生電渦流場，而此電渦流又將產生一交變磁場B2阻礙外磁場的變化，引起B(yǎng)1的變化；在激勵線圈上加載交流電壓的同時，由于安培力的作用，其所產生的交變磁場會驅動諧振結構中布置有通直流電的導線做垂直于交變磁場垂直方向和通電導線的方向運動，因此會產生結構上的應變變化，然后利用惠斯通電橋將應變變化拾取，整個過程完成了將位移量轉化為磁場量，最后轉化為電信號的過程。參照圖4，一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片及其制備方法，包括以下步驟:I)參照圖4-1，使用HF溶液清洗雙面拋光SOI硅片，所述SOI硅片由上層單晶硅
1、二氧化硅埋層2和下層單晶硅3組成，其中，二氧化硅埋層2將上層單晶硅I和下層單晶硅3隔離開；2)參照圖4-2，雙面淀積氮化硅4，淀積厚度為0.1 μ m 0.2 μ m，為后續(xù)濕法腐蝕提供掩蔽和保護；3)參照圖4-3，在SOI硅片背面光刻，刻蝕去掉背面部分區(qū)域的氮化硅4，為后面形成背腔做準備；4)參照圖4-4，采用氫氧化鉀各向異性刻蝕下層單晶硅3形成背腔，并腐蝕至二氧化硅埋層2自停止；5)參照圖4-5，用等離子刻蝕技術刻蝕去除位于正面的氮化硅4 ；6)參照圖4-6，采用離子注入技術對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻7，摻雜濃度為3X 1018cnT3，然后采用等離子刻蝕(Reactive 1n Etching，RIE)技術刻蝕P型摻雜硅得到拾振電阻7，以獲得構成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻；7)參照圖4-7，正面鋪光刻膠5，光刻膠5的厚度為I 5 μ m ;8)參照圖4-8，刻蝕光刻膠5，形成平面線圈6、直流導線8、內引線9的掩膜圖案；9)參照圖4-9，濺射沉積鋁，鋁的厚度為I 5μπι，利用剝離工藝，形成激勵線圈
6、直流導線8、內引線9，并去除剩余的光刻膠；10)參照圖4-10，光刻膠形成諧振梁圖案，利用反應耦合等離子體(InductivelyCoupled Plasma, ICP)刻蝕形成諧振梁10結構；11)參照圖4-11，最后經過劃片得到所設計的基于諧振式結構的電渦流傳感器的
單個管芯。擬達到的主要技術性能指標如下:籲測量量程:0 2_ ；籲誤差:1%; 工作溫度:-20 120°C ;
分辯力:0.1μπι;籲工作環(huán)境介質:空氣、油；以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發(fā)明說明書 而對本發(fā)明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，包括激勵線圈(6)和諧振結構兩部分，其特征在于:激勵線圈(6)為矩形平面線圈結構，諧振結構由諧振梁(10)、直流導線(8)、拾振電阻(7)和惠斯通電橋連接構成，諧振結構位于芯片中心，激勵線圈(6)圍繞于諧振結構，諧振梁(10)包括中心梁(10-3)、布置直流導線(8)的驅動梁(10-1)和布置檢測電阻的檢測梁(10-2)，，驅動梁(10-1)和檢測梁(10-2)兩端根部通過中心梁(10-3)連接，拾振電阻(7)中的第一參考電阻(7-1)和第二參考電阻(7-2)位于芯片周圍，第一檢測電阻(7-3)、第二檢測電阻(7-4)布置在檢測梁(10-2)上，四個電阻組成惠斯通電橋；直流導線(8)沿諧振梁(10)方向由一端驅動梁(10-1)接入，從另一端驅動梁(10-1)接出。
2.根據權利要求1所述的一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，其特征在于:所述激勵線圈(6)采用MEMS技術制作，所采用材料為鋁，其截面為矩形，截面尺寸為寬為5 30 μ m,厚為I 5 μ m，匝數為13 20匝。
3.根據權利要求1所述的一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，其特征在于:所述的諧振梁10所使用材料為二氧化硅，沿梁方向呈軸對稱結構，中心梁(10-3)為兩根，尺寸相同均長800 1000 μ m，寬20 30 μ m，厚40 50 μ m，兩梁間距80 100 μ m ;驅動梁(10-1)和檢測梁(10-2)兩部分尺寸相同，均長100 150 μ m，寬20 30 μ m，厚80 90 μ m,兩梁間距100 120 μ m,左右兩部分完全一致。
4.根據權利要求1所述的一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，其特征在于:所述直流導線(8)所采用材料為鋁，截面尺寸寬為5 30 μ m，厚為I 5 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片，其特征在于:惠斯通電橋所用的拾振電阻(7 )采用離子注入技術對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅，然后采用等離子刻蝕技術刻蝕P型摻雜硅，獲得構成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻。
6.一種基于諧振式結構 的電渦流傳感器芯片及其制備方法，其特征在于，包括以下步驟: O使用HF溶液清洗雙面拋光SOI硅片，所述SOI硅片由上層單晶硅(I)、二氧化硅埋層(2)和下層單晶硅(3)組成，其中，二氧化硅埋層(2)將上層單晶硅(I)和下層單晶硅(3)隔離開； 2)雙面淀積氮化硅(4)，淀積厚度為0.1 μ m 0.2 μ m，為后續(xù)濕法腐蝕提供掩蔽和保護； 3)在SOI硅片背面光刻，刻蝕去掉背面部分區(qū)域的氮化硅(4)，為后面形成背腔做準備; 4)采用氫氧化鉀各向異性刻蝕下層單晶硅(3)形成背腔，并腐蝕至二氧化硅埋層(2)自停止； 5)用等離子刻蝕技術刻蝕去除位于正面的氮化硅(4)； 6)采用離子注入技術對其進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻(7)，摻雜濃度為3X IO18CnT3,然后采用等離子刻蝕(Reactive 1n Etching, RIE)技術刻蝕P型摻雜娃得到拾振電阻(7)，以獲得構成惠斯通電橋的四個相同阻值的拾振電阻，其中布置在檢測梁的拾振電阻為檢測電阻，其余為參考電阻； 7)正面鋪光刻膠(5)，光刻膠5的厚度為I 5μπι;8)刻蝕光刻膠(5)，形成平面線圈(6)、直流導線(8)、內引線(9)的掩膜圖案； 9)濺射沉積鋁，鋁的厚度為I 5μπι，利用剝離工藝，形成激勵線圈(6)、直流導線(8)、內引線(9)，并去除剩余的光刻膠； 10)光刻膠形成諧振梁圖案，利用反應稱合等離子體(InductivelyCoupledPlasma, ICP)刻蝕形成諧振梁(10)結構； 11)最后經過劃片得到所 設計的基于諧振式結構的電渦流傳感器的單個管芯。
全文摘要
一種基于諧振式結構的電渦流傳感器芯片及其制備方法，芯片包括激勵線圈和諧振結構兩部分，諧振結構位于芯片中心，拾振電阻中的參考電阻位于芯片周圍，檢測電阻布置在檢測梁上，兩組電阻都是一端與連入惠斯通電橋，一端接地；制備方法為先清洗雙面拋光SOI硅片，淀積氮化硅，背面光刻去掉特定區(qū)域的氮化硅，然后刻蝕下層單晶硅，去除正面的氮化硅，進行硼摻雜，獲得P型摻雜硅檢測電阻，再刻蝕光刻膠，形成平面線圈、直流導線、內引線的掩膜圖案；然后濺射沉積鋁，并去除剩余的光刻膠；光刻膠形成諧振梁圖案，刻蝕形成諧振梁結構；最后經過劃片得到所設計的基于諧振式結構的電渦流傳感器的單個管芯，本發(fā)明實現對微位移、微缺陷的精確測量。
文檔編號G01B7/02GK103090779SQ20121056777
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權日2012年12月24日
發(fā)明者蔣莊德, 許煜, 趙立波, 王苑, 趙玉龍 申請人:西安交通大學