趙曉鋒，鄧 祁，金晨晨，莊萃萃，溫殿忠

(黑龍江大學 電子工程學院， 哈爾濱 150080)

基于MEMS技術MOSFETs硅橋結構磁傳感器特性仿真與制作工藝

趙曉鋒，鄧 祁，金晨晨，莊萃萃，溫殿忠

(黑龍江大學 電子工程學院， 哈爾濱 150080)

給出一種MOSFETs硅橋結構磁傳感器，在方形硅膜上表面的不同位置設計4個p-MOSFETs，溝道電阻構成惠斯通電橋結構，并在方形硅膜上表面中央位置制作鐵磁材料。通過采用ANSYS有限元軟件建立磁傳感器仿真模型，仿真結果表明，外加磁場作用下，鐵磁材料受到磁場力，使硅膜發(fā)生彈性形變，產生橋路輸出電壓，實現(xiàn)對外加磁場的檢測。基于仿真結果，采用CMOS工藝和MEMS技術設計、制作MOSFETs硅橋結構磁傳感器，實驗結果表明，當工作電壓為1.0 V時，滿量程輸出為0.69 mV，靈敏度為1.54 mV/T，準確度為3.76% F.S.。

硅橋結構；MOSFET；磁傳感器；ANSYS仿真

隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)自動化程度的提高，磁傳感器成為信息科技產業(yè)中一個重要的組成部分，廣泛應用于工業(yè)生產、航空航天、醫(yī)學診斷等領域。除了目前廣泛應用的磁傳感器，例如霍爾元件[1-3]、磁敏二極管[4]、磁敏三極管[5-6]和巨磁電阻[7-8]等磁傳感器，近幾年相關文獻報道利用磁性材料和半導體壓阻效應檢測磁場的新型磁傳感器。2006年，報道了劉健等人采用鎳薄膜為敏感元件制作了懸臂梁結構的磁傳感器[9]。2010年，杜廣濤等人研究采用鐵磁材料作為敏感元件的磁傳感器[10]。

本文給出一種硅橋結構MOSFETs磁傳感器基本結構和工作原理，并采用ANSYS12.1有限元分析軟件對該傳感器結構進行模擬仿真，該結構能夠完成對外加磁場的檢測?；诜抡娼Y果，利用CMOS工藝和MEMS技術，實現(xiàn)硅橋結構MOSFETs磁傳感器制作，該結構通過外加柵極偏置電壓，可以實現(xiàn)零點漂移補償，為探討該方法在磁傳感器領域進一步應用奠定基礎。

1 硅橋結構磁傳感器基本結構和工作原理

1.1 硅橋結構磁傳感器基本結構

硅橋結構MOSFETs磁傳感器基本結構見圖1。采用CMOS工藝和MEMS技術在n型<100晶向單晶硅襯底方形硅膜上設計、制作4個p-MOSFETs， p-MOSFETs的溝道長寬比為320 μm/160 μm，M1管、M3管溝道電阻沿<011晶向，M2管、M4管溝道電阻沿晶向，4個p-MOSFETs溝道電阻構成惠斯通電橋。研究樣品硅膜尺寸為6 000 μm×6 000 μm，硅膜表面的中央位置制作鐵磁材料，鐵磁材料為坡莫合金，尺寸為2 500 μm×2 500 μm×1 000 μm。

1.2 硅橋結構磁傳感器工作原理

在外加磁場的作用下，鐵磁材料被磁化，感應產生一附加磁場，與外加磁場相互作用產生磁場力。磁場力近似表示[9]：

(1)

式中F為鐵磁材料所受的磁場力；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7N/A2；B為外加磁場磁感應強度；S為外加磁場和鐵磁材料相互作用面積。

硅橋結構磁傳感器的工作原理示意圖見圖2，4個p-MOSFETs構成的惠斯通電橋見圖2(a)，等效電路見圖2(b)，R1、R2、R3和R4分別為4個p-MOSFETs溝道等效電阻[11-12]，采用恒壓源供電。

圖1 硅橋結構磁傳感器基本結構Fig.1 Basic structure of the silicon bridge magnetic sensor

圖2 硅橋結構磁傳感器工作原理Fig.2 Working principle of of the silicon bridge magnetic sensor

當外加磁場B=0 T時，鐵磁材料受磁場力F為零，硅膜不發(fā)生形變，理想情況下，4個溝道等效電阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，橋路輸出電壓為：

Vout=Vout2-Vout1=0

(2)

當外加磁場B≠0 T時，鐵磁材料在外加磁場作用下受磁場力F，硅膜發(fā)生彈性形變，沿<011晶向溝道電阻和沿晶向溝道電阻：

(3)

(4)

橋路輸出電壓為[13-15]：

(5)

式中π44為單晶硅壓阻系數；VDD為外加電壓；σ‖、σ⊥分別為彈性硅膜邊緣的縱向應力和橫向應力。

2 硅橋結構磁傳感器有限元仿真

2.1 仿真模型

根據硅橋結構MOSFETs磁傳感器工作原理，采用ANSYS12.1有限元軟件對該磁傳感器進行磁—結構順序耦合模擬仿真。磁傳感器的三維有限元仿真模型見圖3，模型由永磁體、空氣層、鐵磁材料和C型硅杯4部分組成，忽略鐵磁材料和彈性硅膜間的粘合劑對硅膜力學性能的影響。為了方便觀察磁場分布情況，在仿真建模時，只建立了空氣層的1/4模型。

圖3 硅橋結構磁傳感器有限元實體模型Fig.3 Entity model of finite element for the silicon bridge magnetic sensor

2.2 磁場分布

本文采用永磁體建立三維磁場，并在永磁體的周圍建立體積較大的空氣層，將硅橋結構的磁傳感器放入永磁體的空氣層中，使磁力線垂直通過制作在磁傳感器硅膜中央的鐵鎳合金的上表面，鐵鎳合金的相對磁導率為1.19×104，仿真不同磁場強度下，鐵鎳合金處的磁感應強度分布圖見圖4。

圖4 磁感應強度分布圖Fig.4 Distribution of the magnetic induction intensity

2.3 硅膜應力分布

采用矢量三維節(jié)點法進行硅橋結構MOSFETs磁傳感器仿真。在磁環(huán)境中，將空氣層、鐵磁材料和永磁體定義為SOLID97單元對，C型硅杯定義為無效。在結構環(huán)境中，采用線性靜力分析，將鐵磁材料和C型硅杯定義為SOLID45單元，空氣層和永磁體定義為無效。

本文將Z軸負方向定義為磁場正方向，不同外加磁場作用下，彈性硅膜形變量見圖5，圖5中將變形放大500倍。由圖5可見，隨外加磁場增加，硅膜形變量增加，仿真結果表明：該磁傳感器能夠完成對外加磁場的檢測。

圖5 硅膜形變量Fig.5 Deformation volume of the silicon membrane

不同外加磁場作用下，硅膜上縱向應力與橫向應力之差分布見圖6。由圖6可見，應力差的絕對值在硅膜邊緣的中央位置達到最大， 且隨著外加磁場的增加，應力差的絕對值增大。由式(2)可知，為了提高磁傳感器靈敏度，將4個MOSFETs設計在硅膜邊緣的中央位置，且在有效應力區(qū)內。

圖6 硅膜縱向應力與橫向應力之差分布圖Fig.6 Differential distribution between longitudinal stress and transverse stress of the silicon membrane

2.4 磁特性仿真

圖7 傳感器磁特性仿真曲線Fig.7 Magnetic characteristic simulation curve of the proposed sensor

對傳感器硅膜上表面應力沿MOSFETs溝道電阻所在路徑進行積分，計算硅橋結構MOSFETs磁傳感器在不同磁場下的電壓輸出值。傳感器磁特性仿真曲線見圖7。由圖7可見，隨外加磁場增加，橋路輸出電壓增加，該硅橋結構能夠將外加磁場轉換為電壓，實現(xiàn)外加磁場的檢測。

3 硅橋結構磁傳感器制作及特性

3.1 硅橋結構磁傳感器制作工藝

本文采用CMOS工藝和MEMS技術設計、制作硅橋結構MOSFETs磁傳感器，基本制作工藝[11-13]流程為：①厚度為450 μm的n型<100晶向雙面拋光高阻單晶硅片；②單晶硅片經清洗后，生長厚度為650 nm的SiO2層；③1次光刻，光刻有源區(qū)窗口；④采用離子注入機進行硼注入，形成p型低摻雜；⑤生長柵極氧化層，厚度為50 nm；⑥采用LPCVD技術生長多晶硅，并進行多晶硅擴散；⑦2次光刻，光刻多晶硅，形成多晶硅柵，并進行硼注入，形成p+源區(qū)和漏區(qū)；⑧3次光刻，光刻襯底引線孔，并進行磷注入，襯底形成n+；⑨多晶硅氧化，生長厚500 nm的SiO2層；⑩4次光刻，光刻引線接觸孔；采用磁控濺射系統(tǒng)濺射鋁電極；5次光刻，反刻鋁電極，形成傳感器內引線；采用磁控濺射系統(tǒng)在單晶硅片背面二次濺射鋁電極；6次光刻，采用干法刻蝕鋁電極，形成6 mm×6 mm的C型硅杯窗口，在450 ℃下合金化30 min；采用法國ALCATEL 601E型ICP進行深槽刻蝕，C型硅杯膜厚為45 μm；芯片封裝。磁傳感器制作工藝剖面圖見圖8。磁傳感器封裝結構示意圖見圖9。

圖8 硅橋結構磁傳感器制作工藝流程圖Fig.8 Fabrication technology process of the silicon bridge magnetic sensor

3.2 實驗結果

圖9 硅橋磁傳感器封裝照片F(xiàn)ig.9 Packaging photographs of the silicon bridge magnetic sensor

在室溫條件下，采用磁場發(fā)生器系統(tǒng)、HP34401A萬用表、BJ1790B型恒壓源和高斯計對硅橋結構磁傳感器進行靜態(tài)特性標定，恒壓源供電電壓為1.0 V，外加磁場量程為0～0.45 T，循環(huán)測試3次。硅橋結構磁傳感器在工作電壓為1.0 V時的磁特性實驗曲線、仿真曲線和理論擬合直線見圖10。實驗結果表明，傳感器滿量程(0.45 T)輸出0.69 mV，磁靈敏度為1.54 mV/T，線性度為2.41%F.S.。

實驗結果與仿真結果之間存在一定的偏差，主要是由于ANSYS仿真基于虛功原理進行磁力計算，且仿真時磁力涵蓋了邊緣效應，鐵磁體表面各點的磁感應強度分布不均勻，使仿真結果與實驗結果之間存在偏差。圖11和圖12分別給出硅橋結構MOSFETs磁傳感器在工作電壓為1.0 V時重復性和遲滯特性曲線，重復性為2.50%F.S.，遲滯為1.45%F.S.。

4 結 論

本文給出一種硅橋結構MOSFETs磁傳感器，采用ANSYS12.1對該結構進行仿真分析，研究外加磁場對硅膜應力分布影響，仿真結果給出，鐵磁材料受外加磁場作用，產生磁力，使彈性硅膜發(fā)生形變，由4 MOSFETs溝道電阻構成的惠斯通電橋橋路輸出電壓隨外加磁場增加而增加，該結構可實現(xiàn)對外加磁場的檢測?；诜抡娼Y構，采用CMOS工藝和MEMS技術實現(xiàn)硅橋結構磁傳感器制作，并進行測試，實驗結果表明，該傳感器在恒壓源1.0 V供電時，滿量程輸出為0.69 mV，靈敏度為1.54 mV/T，準確度為3.76%F.S.，為進一步提高該結構磁傳感器特性奠定基礎。

圖10 傳感器磁特性曲線Fig.10 Magnetic characteristic curves of the proposed sensor

圖11 傳感器重復性實驗曲線Fig.11 Repeatability curves of the proposed sensor

圖12 傳感器遲滯性實驗曲線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

國家自然科學基金資助項目(61471159)；哈爾濱市人才項目(優(yōu)秀學科帶頭人)(2016RAXXJ016)

趙曉鋒 (1980-)，男，黑龍江蘭西人，教授，博士，碩士研究生導師，研究方向：傳感器MEMS與納米元器件，E-mail:zhaoxiaofeng@hlju.edu.cn。