基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感技术领域，特别涉及一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]磁场传感器是对磁信号或者是对能够转变为磁信号的参数敏感的传感器，是应用最早也是应用最为广泛的一类传感器，我国的四大发明之一的指南针就是利用磁现象的传感器。磁场传感器已经在许多领域获得了产业化应用，每年的使用量高达十亿只以上，应用于电机、电力电子、能源管理、磁信息读取、汽车工业及工业自动化、家电和安全系统，主要使用灵敏度不太高的霍尔器件、磁敏晶体管、磁敏电阻等非常成熟的磁传感器。这些传感器的共同特点是技术成熟，价格便宜，但是都需要检测电路或电流激励，这大大限制这些磁传感器应用于水下、无线传感网节点等电源受限或存在电磁干扰的场合，研制可以应用于这些场合的磁场传感器成为迫切需要解决的关键技术问题。
[0003]目前，磁场传感器的技术发展现状如下:
[0004]1)霍尔磁传感器是利用半导体的霍尔效应而制作的一类磁场传感器。在半导体薄片两端通以激励电流I，当半导体薄片的垂直方向存在磁感应强度为B的匀强磁场时，则在垂直于电流和磁场的方向上，产生电势差为UH的霍尔电压，霍尔电压大小与磁场大小成正比。由于霍尔磁传感器的测量需要提供电流激励，故其功耗较高，磁场分辨率也较低。
[0005]2)各向异性磁阻(AMR)传感器是目前广泛应用于智能消费电子领域的一类磁场传感器。其原理是利用某些材料(如坡莫合金)的各项异性磁阻现象，即材料的电阻取决于其磁化方向与其中电流方向的夹角。但是其工作时也需要电流激励，且通常设置有复位线圈，复位时需要很大的激励电流。
[0006]3)磁通门通过激励线圈中的电流将其中的高磁导率磁芯周期性地激励到饱和从而将低频外磁场调制到高频，再通过一定的滤波放大手段来检测磁场。磁通门的磁场分辨率可以达到nT量级，是一种高灵敏度磁场传感器，但是由于其需用激励电流将磁芯周期性地激励到饱和，因此功率较大，而且微型化困难。
[0007]4)超导量子干涉仪(SQUIDs)是一种能够测量微弱磁信号的的极其灵敏的磁场传感器。其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象。SQUIDs运行时需要低温制冷设备，体积大，运行费用高昂。
[0008]5)MEMS磁场传感器可以满足磁传感器小型化、低功耗、批量化生产的要求。常见的MEMS磁场传感器有利用线圈中的电流与外磁场之间的洛伦兹力来检测磁场和利用磁性材料与外磁场的相互作用来检测磁场。利用线圈中的电流与外磁场之间的洛伦兹力来检测磁场时，为了提高灵敏度，通常需要将结构激励到谐振状态。而且为了获得高的Q值，通常将传感器进行真空封装。所以该类MEMS磁场传感器工作带宽较窄，封装的成本也较高。利用磁性材料与外磁场的相互作用制作的MEMS磁传感器在工作时不需要将结构激励到谐振状态，因此也无需真空封装，功耗及制作成本都更低。但是现在大多数的该类MEMS磁场传感器使用电学方式检测(如压阻、电容检测等)，因此不适合应用于水底、无线传感网节点等电源受限或存在电磁干扰的场合。
[0009]为此，本发明试图将MEMS (Micro-Electromechanical Systems，微机电系统)技术与闪耀光栅检测技术相结合，提出一种MEMS微型化高灵敏度磁场传感器及制备方法。利用MEMS技术制作微型磁敏感结构与闪耀光栅检测相结合，以实现体积小、无需电流激励、低成本、可以广泛应用于各个领域的微型高灵敏度磁场传感器为目标。
【发明内容】
[0010]本发明针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、尺寸小、低成本、封装简单、可广泛应用于各个领域的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器及其制备方法。
[0011]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法，包括以下步骤:
[0012]1)提供半导体基底，在所述半导体基底表面形成第一凹槽；
[0013]2)在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构；
[0014]3)提供键合基底，将所述半导体基底与所述键合基底键合，形成有所述第一凹槽的表面为键合面；
[0015]4)在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构；
[0016]5)依据所述磁性薄膜结构及所述闪耀光栅结构的位置对所述半导体基底进行刻蚀，以形成扭转闪耀光栅结构；
[0017]6)对所述磁性薄膜结构进行磁化处理，以使所述磁性薄膜结构能够在与其磁化方向垂直的磁场作用下产生相应的磁扭矩。
[0018]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述顶层硅内。
[0019]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，在键合后的所述半导体基底表面对应于所述磁性薄膜结构的位置形成闪耀光栅结构包括:
[0020]41)将键合后的所述半导体基底进行减薄处理，以去除所述衬底硅层；
[0021]42)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述中间氧化层；
[0022]43)使用Κ0Η溶液腐蚀所述顶层硅，以在所述顶层硅内形成周期性的V型闪耀光栅；
[0023]44)在所述V型闪耀光栅表面形成光学高反膜。
[0024]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，形成的所述扭转闪耀光栅结构包括扭转薄膜、位于所述扭转薄膜表面的V型闪耀光栅、位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜及位于所述扭转薄膜两侧的弹性扭转梁；所述扭转薄膜通过所述弹性扭转梁与所述顶层硅相连接。
[0025]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。
[0026]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述磁性薄膜结构形成于所述第一凹槽的底部，包括依次层叠的粘附层、磁性膜层及抗氧化层，且所述粘附层与所述第一凹槽的底部相接触。
[0027]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，在所述第一凹槽内形成磁性薄膜结构之后，还包括对所述磁性薄膜结构进行高温退火处理的步骤。
[0028]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)之后还包括:
[0029]提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤，所述准直透镜、所述输入光纤及所述输出光纤通过光学树脂封装在一壳体内；
[0030]将步骤6)得到的结构中的所述扭转闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并将步骤6)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内。
[0031]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)之后，将步骤6)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内之前，还包括使用过载保护盖体与步骤6)得到的结构进行键合封装，以实现对所述扭转闪耀光栅结构的密封的步骤。
[0032]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的制备方法的一种优选方案，使用过载保护盖体与步骤6)得到的结构进行键合封装包括:
[0033]提供过载保护盖体，所述过载保护盖体为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；
[0034]在所述过载保护盖体内形成第二凹槽，所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层；
[0035]在所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述扭转闪耀光栅结构的位置形成光学增透膜；
[0036]将形成有所述光学增透膜的所述过载保护盖体与步骤6)得到的结构通过介质层进行键合封装，所述过载保护盖体中的顶层硅及所述半导体基底的表面为键合面。
[0037]本发明还提供一种基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器，所述基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器包括:半导体基底、键合基底、扭转闪耀光栅结构及磁性薄膜结构；
[0038]所述半导体基底键合于所述键合基底表面，且所述半导体基底内形成有贯穿所述半导体基底的第一凹槽；
[0039]所述扭转闪耀光栅结构位于所述第一凹槽内，且与所述半导体基底间隔一定的间距；
[0040]所述磁性薄膜结构位于所述扭转闪耀光栅结构背面，且与所述半导体基底及所述键合基底间隔一定的间距。
[0041]作为本发明的基于扭转闪耀光栅检测的磁场传感器的一种优选方案，所述扭转闪耀光栅结构包括扭转薄膜、位于所述扭转薄膜表面的V型闪耀光栅、位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜及位于所述扭转薄膜两侧的弹性扭