基于MEMS技术MOSFETs硅桥结构磁传感器特性仿真与制作工艺

赵晓锋，邓 祁，金晨晨，庄萃萃，温殿忠

(黑龙江大学 电子工程学院， 哈尔滨 150080)

基于MEMS技术MOSFETs硅桥结构磁传感器特性仿真与制作工艺

赵晓锋，邓 祁，金晨晨，庄萃萃，温殿忠

(黑龙江大学 电子工程学院， 哈尔滨 150080)

给出一种MOSFETs硅桥结构磁传感器，在方形硅膜上表面的不同位置设计4个p-MOSFETs，沟道电阻构成惠斯通电桥结构，并在方形硅膜上表面中央位置制作铁磁材料。通过采用ANSYS有限元软件建立磁传感器仿真模型，仿真结果表明，外加磁场作用下，铁磁材料受到磁场力，使硅膜发生弹性形变，产生桥路输出电压，实现对外加磁场的检测。基于仿真结果，采用CMOS工艺和MEMS技术设计、制作MOSFETs硅桥结构磁传感器，实验结果表明，当工作电压为1.0 V时，满量程输出为0.69 mV，灵敏度为1.54 mV/T，准确度为3.76% F.S.。

硅桥结构；MOSFET；磁传感器；ANSYS仿真

随着科学技术的发展和工业自动化程度的提高，磁传感器成为信息科技产业中一个重要的组成部分，广泛应用于工业生产、航空航天、医学诊断等领域。除了目前广泛应用的磁传感器，例如霍尔元件[1-3]、磁敏二极管[4]、磁敏三极管[5-6]和巨磁电阻[7-8]等磁传感器，近几年相关文献报道利用磁性材料和半导体压阻效应检测磁场的新型磁传感器。2006年，报道了刘健等人采用镍薄膜为敏感元件制作了悬臂梁结构的磁传感器[9]。2010年，杜广涛等人研究采用铁磁材料作为敏感元件的磁传感器[10]。

本文给出一种硅桥结构MOSFETs磁传感器基本结构和工作原理，并采用ANSYS12.1有限元分析软件对该传感器结构进行模拟仿真，该结构能够完成对外加磁场的检测。基于仿真结果，利用CMOS工艺和MEMS技术，实现硅桥结构MOSFETs磁传感器制作，该结构通过外加栅极偏置电压，可以实现零点漂移补偿，为探讨该方法在磁传感器领域进一步应用奠定基础。

1 硅桥结构磁传感器基本结构和工作原理

1.1 硅桥结构磁传感器基本结构

硅桥结构MOSFETs磁传感器基本结构见图1。采用CMOS工艺和MEMS技术在n型<100晶向单晶硅衬底方形硅膜上设计、制作4个p-MOSFETs， p-MOSFETs的沟道长宽比为320 μm/160 μm，M1管、M3管沟道电阻沿<011晶向，M2管、M4管沟道电阻沿晶向，4个p-MOSFETs沟道电阻构成惠斯通电桥。研究样品硅膜尺寸为6 000 μm×6 000 μm，硅膜表面的中央位置制作铁磁材料，铁磁材料为坡莫合金，尺寸为2 500 μm×2 500 μm×1 000 μm。

1.2 硅桥结构磁传感器工作原理

在外加磁场的作用下，铁磁材料被磁化，感应产生一附加磁场，与外加磁场相互作用产生磁场力。磁场力近似表示[9]：

(1)

式中F为铁磁材料所受的磁场力；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7N/A2；B为外加磁场磁感应强度；S为外加磁场和铁磁材料相互作用面积。

硅桥结构磁传感器的工作原理示意图见图2，4个p-MOSFETs构成的惠斯通电桥见图2(a)，等效电路见图2(b)，R1、R2、R3和R4分别为4个p-MOSFETs沟道等效电阻[11-12]，采用恒压源供电。

图1 硅桥结构磁传感器基本结构Fig.1 Basic structure of the silicon bridge magnetic sensor

图2 硅桥结构磁传感器工作原理Fig.2 Working principle of of the silicon bridge magnetic sensor

当外加磁场B=0 T时，铁磁材料受磁场力F为零，硅膜不发生形变，理想情况下，4个沟道等效电阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，桥路输出电压为：

Vout=Vout2-Vout1=0

(2)

当外加磁场B≠0 T时，铁磁材料在外加磁场作用下受磁场力F，硅膜发生弹性形变，沿<011晶向沟道电阻和沿晶向沟道电阻：

(3)

(4)

桥路输出电压为[13-15]：

(5)

式中π44为单晶硅压阻系数；VDD为外加电压；σ‖、σ⊥分别为弹性硅膜边缘的纵向应力和横向应力。

2 硅桥结构磁传感器有限元仿真

2.1 仿真模型

根据硅桥结构MOSFETs磁传感器工作原理，采用ANSYS12.1有限元软件对该磁传感器进行磁—结构顺序耦合模拟仿真。磁传感器的三维有限元仿真模型见图3，模型由永磁体、空气层、铁磁材料和C型硅杯4部分组成，忽略铁磁材料和弹性硅膜间的粘合剂对硅膜力学性能的影响。为了方便观察磁场分布情况，在仿真建模时，只建立了空气层的1/4模型。

图3 硅桥结构磁传感器有限元实体模型Fig.3 Entity model of finite element for the silicon bridge magnetic sensor

2.2 磁场分布

本文采用永磁体建立三维磁场，并在永磁体的周围建立体积较大的空气层，将硅桥结构的磁传感器放入永磁体的空气层中，使磁力线垂直通过制作在磁传感器硅膜中央的铁镍合金的上表面，铁镍合金的相对磁导率为1.19×104，仿真不同磁场强度下，铁镍合金处的磁感应强度分布图见图4。

图4 磁感应强度分布图Fig.4 Distribution of the magnetic induction intensity

2.3 硅膜应力分布

采用矢量三维节点法进行硅桥结构MOSFETs磁传感器仿真。在磁环境中，将空气层、铁磁材料和永磁体定义为SOLID97单元对，C型硅杯定义为无效。在结构环境中，采用线性静力分析，将铁磁材料和C型硅杯定义为SOLID45单元，空气层和永磁体定义为无效。

本文将Z轴负方向定义为磁场正方向，不同外加磁场作用下，弹性硅膜形变量见图5，图5中将变形放大500倍。由图5可见，随外加磁场增加，硅膜形变量增加，仿真结果表明：该磁传感器能够完成对外加磁场的检测。

图5 硅膜形变量Fig.5 Deformation volume of the silicon membrane

不同外加磁场作用下，硅膜上纵向应力与横向应力之差分布见图6。由图6可见，应力差的绝对值在硅膜边缘的中央位置达到最大， 且随着外加磁场的增加，应力差的绝对值增大。由式(2)可知，为了提高磁传感器灵敏度，将4个MOSFETs设计在硅膜边缘的中央位置，且在有效应力区内。

图6 硅膜纵向应力与横向应力之差分布图Fig.6 Differential distribution between longitudinal stress and transverse stress of the silicon membrane

2.4 磁特性仿真

图7 传感器磁特性仿真曲线Fig.7 Magnetic characteristic simulation curve of the proposed sensor

对传感器硅膜上表面应力沿MOSFETs沟道电阻所在路径进行积分，计算硅桥结构MOSFETs磁传感器在不同磁场下的电压输出值。传感器磁特性仿真曲线见图7。由图7可见，随外加磁场增加，桥路输出电压增加，该硅桥结构能够将外加磁场转换为电压，实现外加磁场的检测。

3 硅桥结构磁传感器制作及特性

3.1 硅桥结构磁传感器制作工艺

本文采用CMOS工艺和MEMS技术设计、制作硅桥结构MOSFETs磁传感器，基本制作工艺[11-13]流程为：①厚度为450 μm的n型<100晶向双面抛光高阻单晶硅片；②单晶硅片经清洗后，生长厚度为650 nm的SiO2层；③1次光刻，光刻有源区窗口；④采用离子注入机进行硼注入，形成p型低掺杂；⑤生长栅极氧化层，厚度为50 nm；⑥采用LPCVD技术生长多晶硅，并进行多晶硅扩散；⑦2次光刻，光刻多晶硅，形成多晶硅栅，并进行硼注入，形成p+源区和漏区；⑧3次光刻，光刻衬底引线孔，并进行磷注入，衬底形成n+；⑨多晶硅氧化，生长厚500 nm的SiO2层；⑩4次光刻，光刻引线接触孔；采用磁控溅射系统溅射铝电极；5次光刻，反刻铝电极，形成传感器内引线；采用磁控溅射系统在单晶硅片背面二次溅射铝电极；6次光刻，采用干法刻蚀铝电极，形成6 mm×6 mm的C型硅杯窗口，在450 ℃下合金化30 min；采用法国ALCATEL 601E型ICP进行深槽刻蚀，C型硅杯膜厚为45 μm；芯片封装。磁传感器制作工艺剖面图见图8。磁传感器封装结构示意图见图9。

图8 硅桥结构磁传感器制作工艺流程图Fig.8 Fabrication technology process of the silicon bridge magnetic sensor

3.2 实验结果

图9 硅桥磁传感器封装照片Fig.9 Packaging photographs of the silicon bridge magnetic sensor

在室温条件下，采用磁场发生器系统、HP34401A万用表、BJ1790B型恒压源和高斯计对硅桥结构磁传感器进行静态特性标定，恒压源供电电压为1.0 V，外加磁场量程为0～0.45 T，循环测试3次。硅桥结构磁传感器在工作电压为1.0 V时的磁特性实验曲线、仿真曲线和理论拟合直线见图10。实验结果表明，传感器满量程(0.45 T)输出0.69 mV，磁灵敏度为1.54 mV/T，线性度为2.41%F.S.。

实验结果与仿真结果之间存在一定的偏差，主要是由于ANSYS仿真基于虚功原理进行磁力计算，且仿真时磁力涵盖了边缘效应，铁磁体表面各点的磁感应强度分布不均匀，使仿真结果与实验结果之间存在偏差。图11和图12分别给出硅桥结构MOSFETs磁传感器在工作电压为1.0 V时重复性和迟滞特性曲线，重复性为2.50%F.S.，迟滞为1.45%F.S.。

4 结 论

本文给出一种硅桥结构MOSFETs磁传感器，采用ANSYS12.1对该结构进行仿真分析，研究外加磁场对硅膜应力分布影响，仿真结果给出，铁磁材料受外加磁场作用，产生磁力，使弹性硅膜发生形变，由4 MOSFETs沟道电阻构成的惠斯通电桥桥路输出电压随外加磁场增加而增加，该结构可实现对外加磁场的检测。基于仿真结构，采用CMOS工艺和MEMS技术实现硅桥结构磁传感器制作，并进行测试，实验结果表明，该传感器在恒压源1.0 V供电时，满量程输出为0.69 mV，灵敏度为1.54 mV/T，准确度为3.76%F.S.，为进一步提高该结构磁传感器特性奠定基础。

图10 传感器磁特性曲线Fig.10 Magnetic characteristic curves of the proposed sensor

图11 传感器重复性实验曲线Fig.11 Repeatability curves of the proposed sensor

图12 传感器迟滞性实验曲线Fig.12 Hysteresis curves of the proposed sensor

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Characteristics simulation and fabrication technology of MOSFETs silicon bridge magnetic sensor based on MEMS technology

ZHAO Xiao-Feng， DENG Qi， JIN Chen-Chen， ZHUANG Cui-Cui， WEN Dian-Zhong

(InstituteofElectronicEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

A silicon bridge MOSFETs magnetic sensor is presented. A Wheatstone bridge constituted of four P-MOSFETs on the surface of squared silicon diaphragm is designed， and then fabricated ferromagnetic material on the center of squared silicon diaphragm surface. The simulation of the magnetic sensor was performed by using the finite element software ANSYS. The simulation results show that when the sensor is subjected to an external magnetic field， the ferromagnetic material generates magnetic force bending the silicon diaphragm and generating Wheatstone bridge output voltage， and then the external magnetic field can be detected. According to simulation results， we designed and fabricated the silicon bridge magnetic sensor by CMOS and MEMS technology. The experimental results show that when supply voltage of silicon bridge magnetic sensor is 1.0 V， output， sensitivity and precision are 0.69 mV， 1.54 mV/T， and 3.76%F.S.， respectively.

silicon bridge; MOSFET; magnetic sensor; ANSYS simulation

10.13524/j.2095-008x.2017.03.041

TP212

A

2095-008X(2017)03-0050-06

2017-08-20

国家自然科学基金资助项目(61471159)；哈尔滨市人才项目(优秀学科带头人)(2016RAXXJ016)

赵晓锋 (1980-)，男，黑龙江兰西人，教授，博士，硕士研究生导师，研究方向：传感器MEMS与纳米元器件，E-mail:zhaoxiaofeng@hlju.edu.cn。