磁强计调研分析报告.doc

磁强计调查总结1、什么是磁强计：磁强计（magnetometer）：普通指是测量给定方向磁感应强度仪表。按照全国科学技术名词审定委员会发布概念，磁强计：矢量型磁敏感器。用于测定地磁场大小与方向，即测定航天器所在处地磁场强度矢量在本体系中分量。是测量磁感应强度仪器。依照小磁针在磁场作用下能产生偏转或振动原理制成。而从电磁感应定律可以推出，对于给定电阻R闭合回路来说，只要测出流过此回路电荷q，就可以懂得此回路内磁通量变化。这也就是磁强计设计原理，用途之一是用来探测地磁场变化。2、磁强计发展历史、现状以及磁强计发展趋势 磁场测量有着悠久历史。在国内东汉时期学者王充著作 论衡 中就有司南记载。司南是磁罗盘雏形，也是最原始磁场测量仪器。 12 世纪初，国内已把磁罗盘用于航海。然而在漫长几千年内 ,人们只懂得磁力及方向。在西方，磁场测量最早可以追溯到15世纪。16，英国医生Gilbert在她著作中一方面用应用科学办法对磁现象进行了系统摸索，同步发现了地球自身是一种大磁体。1785年，库伦提出了用磁针在磁场中自由震荡周期来拟定地磁场办法。18丹麦科学家奥斯特发现了电流磁效应。1832年高斯提出了以长度、质量、时间为为基本绝对测量地磁场强度办法，由此磁感应强度单位与长度、质量和时间单位建立了一定关系 ,使磁感应强度单位成为重要物理单位。1831年，法拉第发现了电磁感应现象，使磁现象与电现象建立了一定量关系。1873年，英国物理学家麦克斯韦在她典型著作论电与礠中创立了严密电磁场理论，从而为电磁场测量奠定了理论基本。20世纪30年代初，浮现了运用磁性材料自身磁饱和特性磁通门磁强计。1946年由布格赫(F.B1ech)和柏塞尔(E.M.PvrceH)同步发现核磁共振现象，使磁场测量精准度也许达到10T；1962年约瑟夫逊(B.D.Josephson)预言了超导结隧道效应，并于次年得到实验证明，从而使磁场测量下限达到10T。近年来，由于有效地运用了自然现象物理定律和物质物理效应，加之半导体和电子技术飞速发展，运用各种磁效应进行磁场测量办法有了很大进步，各种磁强计应运而生例如霍尔磁强计、磁通门磁强计、磁阻效应磁强计、磁敏效应磁强计、磁光效应磁强计、超导量子干涉磁强计等测。当前比较成熟磁场测量办法有：磁力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法和磁光效应法等。根据这些办法，相继实现了不同原理各种磁强计。到当前为止，磁场测量范畴已达到 1010 T。随着当代科技进步，磁强计应用越来越广泛，已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等许多领域。随着磁场应用范畴不断拓展，为满足特定工作环境内磁场测量、强磁场及超强磁场测量、弱磁场及薄弱磁场测量，以及间隙磁场和不均匀磁场测量需求，必要谋求和应用新效应、新现象、新材料和新工艺，进一步提高磁场测量仪器水平，更新和发展精密磁场测量仪器,如今磁强计正向着高精确度、高稳定度、高辨别率、微小型化、数字化和智能化方向发展。3、磁强计分类 按照磁强计发展历史和物理原理，磁强计可以分为三代： （1）、第一代磁强计：运用永磁体与磁场之间互相力矩作用原理或者运用感应线圈和辅助机械装置制作例如：机械式磁强计，感应式航空磁强计。（2）、第二代磁强计：依照核磁共振特性，高磁导率软磁合金磁通门原理，运用复杂电子线路制作，如核磁共振磁强计、磁通门磁强计等。（3）、第三代磁强计：依照量子效应原理制作，如核子旋进磁强计、质子磁强计、光泵磁强计、原子磁强计、超导量子干涉磁强计。磁强计还可以按照其她分类原则进行分类，例如：按照内部构造和工作原理磁强计可以分为机械式磁强计和电子式磁强等；按照磁强计所测得地磁参数和量值可以分为相对测量磁强计和绝对测量磁强计；按照磁强计使用领域可以分为地面磁强计、航空磁强计、海洋磁强计以及井中磁强计等。4、当前比较成熟磁强计原理（1）、磁力法磁强计 原理：磁力法磁强计是运用被测磁场中磁化物体或通电线圈与被测磁场之间互相作用机械力(或力矩)来测量磁场一种典型办法。按磁力法原理制成磁场测量仪器可分为磁强计式和电动式两类。其中，以可动小磁针(棒)与被测磁场之间互相作用使磁针偏转而构成磁场测量仪器，按习惯叫法称为 “磁强计” 。这种磁强计可以把磁场测量直接归结为对磁针在所处水平面内运动振荡周期和偏转角测量。运用磁强计可以测量较弱均匀、非均匀以及变化磁场，其辨别力可达 10T以上。而运用通电线圈与被测磁场之间互相作用使线圈偏转原理构成电动法磁场测量仪器。（2）、感应线圈（电子积分器）式磁强计 原理：电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基本磁场测量办法，其应用十分广泛,.随着电子积分器和电压频率变换器应用于以此法实现，其测量磁场范畴已扩大为 10 10T，测量精确度约为 ( 0.1 3)%。探测线圈是电磁感应法磁强计传感器，它敏捷度取决于铁心材料磁导率、线圈面积和匝数。依照探测线圈相对于被测磁感应强度变化关系，电磁感应法可以分为固定线圈法、抛移线圈法、旋转线圈法及振动线圈法。固定线圈法重要用于测量交变磁场，也可测量恒定磁场。由于探测线圈不动，线圈中感应电动势是由被测磁场变化引起。抛移线圈法重要用于测量恒定磁场磁感应强度。当把探测线圈由磁场合在位置迅速移至没有磁场作用位置时，线圈中感应电动势积分值与线圈所在位置磁感应强度值成正比。旋转线圈法(又称测量发电机法)和振动线圈法是电磁感应法直接应用，它们重要用于测量恒定磁场。（3）、霍尔效应磁强计 原理：霍尔效应，霍尔效应是指当外磁场垂直于金属或半导体中流过电流时，会在金属或半导体中垂直于电流和外磁场方向产生电动势现象。（4）磁阻效应磁强计 原理：磁阻效应，是指某些金属或半导体材料在磁场中其电阻随磁场增长而升高现象。 而所谓“磁阻”，就是由外磁场变化而引起电阻变化。磁阻效应在横向磁场和纵向磁场中都能观测到。运用这一效应，可以很以便地通过测量相应材料电阻变化间接实现对磁场测量。磁阻效应和霍尔效应同样，都是由作用在运动导体中载流子洛伦兹力引起。不同材料磁阻是不同。基于上世纪七十年代问世薄膜技术，磁阻效应磁强计有了很大发展，随之浮现薄膜磁阻效应磁强计。随着着某些新材料研制，人们又相继发现了巨磁阻(Giant Magneto- resistance GMR)效应和巨磁阻抗(Giant Magneto- impedance GMI)效应，基于它们磁测量技术也得到了较进一步研究。巨磁阻效应是指在一定磁场下电阻急剧减小现象，普通电阻减小幅度比普通磁性金属及合金材料磁电阻数值高一种数量级。以巨磁阻效应为基本制成超微磁场传感器。（5）、磁通门磁强计原理：磁通门磁强计运用材料磁饱和特性制造磁强计，基于磁调制原理，即运用在交变磁场饱和勉励下处在被测磁场中磁芯磁感应强度与被测磁场磁场强度间呈非线性关系来测量磁场办法。这种办法重要用于测量恒定或缓慢变化磁场；其测量电路稍加变化，也可测量低频交变磁场。磁饱和法分为谐波选取法和谐波非选取法两类。谐波选取法就是只考虑探头感应电动势偶次谐波(重要是二次谐波) ，而滤去其他谐波，详细还可细分为二次谐波选取法和偶次谐波选取法。谐波非选取法是不经滤波而直接测量探头感应电动势所有频谱，它又可细分为幅度比例输出法和时间比例输出法。其中幅度比例输出法因所需测量仪器设备构造比较复杂、稳定性较差，没有得到推广。近年来，随着磁通门传感器应用领域拓展，为满足磁场 “点” 测量需要，运用微机械技术，如各向异性腐蚀、牺牲层技术和 LIGA工艺以及 MEMS技术制作微型磁通门传感器，已经成为磁通门传感器构建和制造发展必然趋势。当前按基片材料划分微型磁通门传感器重要有三种，分别是运用 PCB 板、在非半导体(如钒、玻璃等)衬底上以及在半导体材料特别是硅衬底上加工制作磁通门传感器。（6）、磁共振磁强计 基本原理：塞曼( P.Zee-man)效应原理，即在外磁场作用下原子能级将发生分裂；如果交变磁场作用到原子上，当交变磁场频率与原子自旋系统自然频率同步时，原子自旋系统便会从交变磁场中吸取能量，这种现象就被称为磁共振。由于频率测量可以做到非常精确，从而，运用磁共振法便可大大提高测量磁场精确度。用磁共振原理测量磁场办法重要有核磁共振 (NMR)、顺磁共振( EPR)和光泵磁共振等办法。核磁共振法是运用品有角动量(自旋)及磁矩不为零原子核作共振物质(样品) ，依照核勉励方式和样品不同，它又可分为核吸取法(逼迫核进动)、核感应法(自由核进动)及章动法(流动水样品)。顺磁共振法是指运用顺磁物质中电子或由抗磁物质中顺磁中心电子所引起磁共振办法。光泵磁共振法是运用原子塞曼效应原理绝对测量弱磁场一种精密办法，它是通过光(红外线或可见光)照射物质，使物质原子产生往复能级跃迁，并最后使原子由低能级升到高能级。（7）、超导量子磁强计（SQUID）原理：约瑟夫逊效应，运用弱耦合超导体中超导电流与外部磁场间函数关系而测量恒定或交变磁场一种磁强计，重要用于测量恒定弱磁场。其特点是具备极高敏捷度和辨别力。超导量子干涉器件( SQUID)是超导量子干涉磁强计重要构成某些，就其功能来说是一种磁通传感器。SQUID依照所使用超导材料，可分为低温超导 SQUID 和高温超导SQUID；又可依照超导环中插入约瑟夫森结个数，分为直流超导量子干涉器件(DC- SQUID)和交流超导量子干涉器件(RF- SQUID)。直流超导量子干涉器件(DC- SQUID)加有直流偏置，制成双结形式;交流超导量子干涉器件(RF- SQUID)由射频信号作偏置，详细采用是单结形式。（8）、磁光效应磁强计 原理：基于磁光效应当偏振光通过磁场作用下某些各向异性介质时，会导致介质电磁特性变化，并使光偏振面(电场振动面)发生旋转，这种现象被称为磁光效应。磁光效应法即是运用磁场对光和介质互相作用而产生磁光效应来测量磁场一种办法。依照产生磁光效应时通过介质(样品)光是透射还是反射，磁光效应详细又有法拉第( Farady)磁光效应和克尔(Kerr)磁光效应之分。磁光效应法可用于恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场测量。 近年来，随着基于磁致伸缩效应光纤薄弱磁场传感技术发展，光纤磁场测量仪器敏捷度已可做得很高。（9）震动样品磁强计（VSM） 原理： VSM采用电磁感应原理 ,测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动样品磁矩。对于足够小样品,它在探测线圈中振动所产生感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、振动频率不变基本上 ,用锁相放大器测量这一电压 ,即可计算出待测样品磁矩。震动样品磁强计事实上是一种感应线圈式磁强计。综上所述，磁场测量设备由于测量原理、测量范畴、应用范畴不同而分诸各种，将其特性列下表1所示：6、几种MEMS磁强计原理工艺及有关单位与老式磁强计相比，微磁强计具备重量轻、研制周期短、造价低等特点。当前 MEMS 磁强计重要有霍尔效应式磁强计、磁阻式磁强计、磁通门式磁强计、隧道效应式磁强计、谐振式磁强计等。 （1）、MEMS磁通门式磁强计(MFGM) 研究单位：(1清华大学精密仪器与机械学系；2中华人民共和国科学与技术大学国家同步辐射实验室) 作者：杨建中1，尤政1，刘刚2，康春磊2，田扬超2 原理：MFGM从原理上而言，是遵循法拉第电磁感应定律和磁通门效应。MFGM基本构造涉及三个某些：磁芯、勉励线圈和检测线圈，见图1。磁芯采用高磁导率、低矫顽力软磁材料做成。勉励和检测线圈都以螺线管形式螺绕在磁芯上。这种单磁芯简朴构造形式，测量是环境磁场矢量沿传感器敏感轴方向磁场分量。Memsmag设计：下图2是根据磁通门原理设计基于MEMS技术磁通门磁敏感器(MEMSMag)构造示意图。这种微型磁通门磁敏感器构造具备对称构造、闭合磁路、差动形 式、柔性连接等明显特点。 图2 MEMSMag构造示意图该微型磁通门磁敏感器采用氧化后硅做基底。磁芯呈方形形状环状构造。磁芯每边长5mm，横截面长400um，厚20um。在拐角处为了减少磁感应强度变化激烈限度，进行倒圆角解决(内半径20um，外半径420um)。 图3 MEMSMag 横截面构造图磁芯材料选用电镀工艺加工形成镍铁合金软磁薄膜，其磁性能为各向同性，保证X和Y方向磁芯构造、磁性能和电气性能等参数对称。采用电镀工艺，与溅射镀、蒸发镀等工艺比较，可以容易实现10一20um等较大厚度软磁性磁芯薄膜加工，获得更大磁芯横截面面积。由于磁敏感器敏捷度和磁芯横截面积成正比，这样采用电镀工艺，增大磁芯横截面积，也就提高了敏捷度。另一方面，磁通门式磁敏感器中，规定磁芯具备较大有效磁导率、很小矫顽力和较小饱和磁场强度等磁性能。而电镀工艺形成镍铁合金镀膜，具备良好软磁性磁学性能，完全符合器件性能规定。这种环形构造形状对磁通来说具备闭合磁路。和开路磁芯相比，具备闭合磁路磁芯，对于磁通来说，由于软磁材料磁导率远远不不大于周边空间空气，因此磁力线几乎都在磁芯内部聚合，漏磁通极低，退磁场系数几乎为零。因而闭合磁路方形环状磁芯几乎可以忽视退磁场影响。磁芯有效磁导率可以得到明显提高，磁芯内磁化强度和磁感应强度更容易达到饱和，形成更为陡峭动态磁滞回线，只需要较小凋制磁场就能实现对磁芯过饱和磁化和励磁功耗减少。磁芯四周共12个匝数和旋向都相似线圈，每边3个，每个38匝。以螺绕方式缠绕在被绝缘过磁芯上。在运用微细加工工艺时，每个线圈都是在相似工艺环节中形成，因此电气参数都是相似。每一种线圈都可以作为激磁、检测或者补偿线圈。线圈旋向都相似，对于构造中心和两条正交轴线来说具备对称性。线圈材料选用铜。底层直导线每根长460um，宽15um，厚(高)10um；导线之间间距30um，形成节距(相邻两匝导线之问距离)为45um。线圈具备立体螺绕形式。平面线圈只能将一某些磁通包围在线圈内部。如果采用平面线圈形式，为了达到过饱和励磁，就需要更大励磁电流或者是更多匝数励磁线圈，这不利于功耗减少。此外，对于检测线圈来说，未能将磁通所有包围在线圈内，为了获得感应电动势，就需要更多匝数检测线圈，不利于尺寸减小。尚有一种因素，平面线圈多和开路磁芯联合使用。对于开路磁芯来说，意味着较大退磁场，和较小表观磁导率，一方面减少了敏捷度，另一方面不利于磁芯迅速饱和。在磁芯和线圈之间由绝缘体材料填充，为一种内含空腔封闭构造。绝缘材料选用光刻胶经解决后形成，起到隔离支撑和电气绝缘双层作用。在磁芯和底层导线之间绝缘层厚度为10um，磁芯和顶层导线之间绝缘层厚度也为10um。在磁芯侧面，磁芯和立柱导线之间绝缘层宽度为20um。设计中将磁芯和检测线圈做成对称差分形式，从构造上消除作为噪声奇次谐波分量，加倍增强偶次谐波分量，提高输出信号中信噪比。并且考虑到退磁场影响，将磁芯磁通途径设计成环状闭合形式，以此来减少退磁系数，提高视在磁导率，使磁芯更容易进入过饱和状态。构成差动构造方式有两种，如图4和5所示。一种方式是两个检测线圈分别螺绕在两个磁通反向磁芯上，这时检测线圈内部感应电动势正好是大小相等、极性相反，然后再将线圈同向串联。此外一种方式是单个检测线圈缠绕在两个内部磁通反向磁芯上。 图4 差动形式构成方式（1） 图5 差动形式构成方式（2）在MEMSMag中采用第一种差动构造形式。这样做用意重要是考虑到线圈对称性。如图6所示，顺时针把十二个线圈分别标记为X、X、X、Y、Y、Y、X、X、X、Y、Y、Y。这样X和X就构成一组线圈，别的同理。通过这种形式，十二个线圈构成六组线圈对，具备相似构造参数和电气参数，至于运用哪一组线圈作为励磁、检测和补偿线圈，可以依照应用需要在使用时决定，而不是在设计和加工时就拟定，扩大了使用灵活性。磁芯形状是方形环状构造，具备对称性，选用各向同性软磁材料，这样四条边电磁参数都相似。线圈旋向相似，匝数相似，也具备对称性。x方向两条边构成一组双磁芯磁探头，用于X方向磁场分量测量；同样，Y方向两条边构成另一组双磁芯磁探头，用于Y方向磁场分量测量。由于磁芯和线圈是对称，又具备差动构造，使得这种构造很容易形成一种两轴磁敏感器，也可以形成一种一轴磁敏感器，这重要是由于线圈具备柔性连接性能。如果把线圈对X和X正向串联作为激磁线圈，X和X正向串联作为补偿线圈，X和X反向串联作为检测线圈，就可形成一种检测Y轴方向一轴磁敏感器。对此外三组线圈也进行同样连接，也形成一种检测x轴方向一轴磁敏感器。这样整个就形成了一种两轴磁敏感器，可用于测量磁场强度在x和Y轴两个正交轴方向上分量。 图6 MEMSMag连结方式示意图除上述连接方式之外，这种构造形式通过不同连接方式还可以形成一轴磁通门磁敏感器构造，如表2所示。 表2 MEMSMag中线圈不同连结方式（2）、MEMS谐振式磁强计 基本原理：谐振式磁强计基本工作原理是运用通电导线在磁场中产生洛仑兹力来检测磁场强度大小。在悬臂梁中通过一定频率交变电流，其频率等于悬臂梁谐振频率，这样，当外界有磁场时， 悬臂梁中电流将受到洛仑兹力作用使悬臂梁产生振动，其振幅和外界磁场强度大小成正比关系，通过检测振幅大小，即可得到磁场强度信息。由于其工作在谐振状态下，因而其振幅可以被放大 Q 倍，从而使检测精度和敏捷度得到大幅提高。谐振式磁强计按照其构造基本可以分为扭摆式和水平式两种。扭摆式谐振式MEMS磁强计：单位：清华大学精密仪器与机械学系作者：任大海,阎梅芝，尤政构造：图7所示是结合国内MEMS 加工条件设计基于扭摆构造谐振式磁强计,它采用电容检测方式，扭摆式构造靠差动力矩驱动扭梁扭转,敏捷度高. 此外，由于谐振式磁强计规定具备高 Q 值,若不考虑谐振器在空气中阻尼，则Q 值重要取决于通过支撑构造将谐振器能量传递到基底所损失能量及由于机械构造阻尼所损失能量. 扭摆式构造可以有效地减小上述 2个方面能量损失. 同步，在实际应用中，由于机械构造总是有一定质量，因此必要考虑加速度对检测输出信号影响. 而扭摆由于其具备对称式构造,可以有效抑制重力及加速度产生惯性力与磁场通过线圈产生洛伦兹力之间耦合,因此采用扭摆式谐振磁强计方案.两端固支梁在加工过程中产生应力较大,将严重影响器件成品率,且当扭转角较大时,弹性系数随扭转角做非线性变化，因此设计了“ L”形梁，可以有效释放应力，且当扭摆尺寸较大时,“L”形梁有助于系统稳固支撑.。 图7 谐振式磁强计测量原理水平式磁强计构造运动方向与构造平面平行。如1999年Robert Bosch公司Emmerich H等人研制水平谐振式磁强计，在谐振梁中通以交变电流并通过电容方式进行检测，如图8所示 图8 Robert Bosch公司研制水平谐振式磁强计清华大学汤学华在 年研制了采用该原理制作磁强计，并使用隧穿电流方式进行检测，其原理如图9所示 图9 清华大学研制水平谐振式磁强计扭摆式磁强计可以制作多匝线圈，具备敏捷度高等特点，但是在采用电容检测形式时，电容极板位移和电容值变化之间是非线性关系，会对其性能产生较大影响。而水平式谐振磁强计位移是在构造平面内运动，当采用电容方式检测时，其电容变化线性度较好， 并且制作相对简朴， 具备明显优势。（3）、隧道效应式MEMS磁强计隧穿磁强计是一种运用量子力学中隧道效应原理测量磁场强度新型磁强计。水平式隧穿磁强计：单位：(1清华大学精密仪器与机械学系；2河北半导体研究所微米纳米中心)作者：汤学华1，何洪涛2，罗 蓉2，李 倩2，郭荣辉2，吝海峰2特点：是磁场产生洛伦兹力方向和磁强计敏感元件(质量弹簧系统)构造平面在同一水平面内。原理：图10为水平式隧穿磁强计表头构造原理图。这种磁强计工作原理是：一方面由梳齿电极将质量弹簧系统往左边拉一种盼望位移，约为4um(检测电极与硅尖之间原始距离为4um)，使得检测电极与硅尖之间距离为1 nm(即隧道间隙为1 nm)，此时在驱动电压作用下，产生约1.4 nA隧道电流，然后再给线圈通上交流电，通电线圈在被测磁场(磁场方向垂直于纸面)作用下将产生洛伦兹力，该力使质量弹簧系统作谐振运动，导致隧道间隙发生变化，使得隧道电流大小也跟着变化，通过测量隧道电流变化量可以拟定磁场强度大小。 图10水平隧穿磁强计包头构造原理图加工工艺：表头采用MEMS体硅溶片工艺加工，详细工艺及流程见参照文献【12】。扭摆型谐振式隧穿磁强计： 单位：清华大学精 密仪器与机械学系 作者：阎梅芝、董哲、任大海、尤 政设计思想： 采用微镜构造中惯用扭摆扭梁构造，并在扭摆平面上制作线圈，使磁强计制作工艺易于实现，且能通过设定较高线圈电流工作点频率来提高扭摆谐振频率，有效减少 1 f噪声。原理：由隧道效应原理磁强计构造设计：基于以上基本原理 ，设计谐振扭摆型隧穿式磁强计构造如图 13所示，将扭摆和硅尖某些构造均键合在玻璃基底上。在扭摆平面上制作线圈，在待测空间磁场中，当给线圈通电流后将产生安培力，安培力作用于线圈所依附扭摆就会产生力矩作用于扭梁，使扭摆偏转，变化扭摆与隧尖之间间隙，从而由隧道电流变 化来反映磁场变化。 扭摆型隧穿式磁强计除了硅尖这一最为核心部件外，扭摆和其上线圈也是非常重要。扭梁所受扭矩大小不但取决于线圈 中所通电流 ，还取决于线圈构造。本设计中采用平面线圈 ， 其构造如图 11所示。 图11 线圈、扭摆及驱动电极构造垂直式隧穿磁强计：这种磁强计中，磁场产生洛伦兹力方向和磁强计敏感元件(薄膜)构造平面垂直。单位：1、清华大学精密仪器与机械学系 2、河北半导体研究所 微米/纳米中心作者：汤学华,尤政，杨拥军构造：其她隧道效应磁强计设计方案：方案A、单位：1 清华大学精密仪器系;2北京大学微电子学研究所作者：朱俊华1,周兆英1,叶雄英1,张大成2,郝一龙2,李婷2基本原理：典型物理学以为,动能低于势垒电子是不能穿透势垒。但是依照量子力学理论 ,上述电子可以穿透势垒 ,并已被实验所证明。当两个电极充分接近(约为 1nm) ,电子云互相重叠时 ，在电极间加上电压 (约100mV) ,电子便会通过电子云狭窄通道流动 ,形成隧道电流。隧道电流和电极间距离关系如下：:由上式可知 ,隧道电流和 s成指数关系微小位移就会使隧道电流产生很大变化。并且 ,隧道电流仅发生在两个电极上距离近来两个原子之间 ,因而从本质上来说其敏捷度是与尺寸无关。图12(f) 是微型隧道效应磁强计构造图 ,它由下层玻璃衬底和上层硅片构成。在驱动电极和偏置电极之间加上电压 ,静电力使硅桥变形 ,当针尖和电极之间间距约为1nm时 ,就会产生隧道电流。在平面线圈内通以交变电流 ,薄膜在 Lorentz 力作用下 ,上下振动 ,隧道电流随之变化 ,从而测出磁感应强度大小。工艺流程：硅片工艺，一方面用热氧法在双面抛光硅片上长出500nm二氧化硅并用甩胶光刻 ,图形化后用 RIE刻蚀二氧化硅 ,为防止 RIE损坏下面硅 ,当二氧化硅剩余 50nm 时改用BHF 溶液腐蚀 ,直至暴露出下面硅。BHF 溶液腐蚀二氧化硅速率为 2.3nm/ s ,较 RIE容易控制。然后用 KOH 进行各向异性腐蚀 ,形成1 m浅坑 ,这一步拟定了硅尖和偏置电极间间距(图 12a) 。去掉硅表面二氧化硅 ,进行无掩模浓硼掺杂 ,形成自停止层 ,掺杂 图12 磁强计工艺流程图 浓度为 10cm,厚度 9 m。接下来在硅表面热氧二氧化硅 ,进行光刻 ,形成 10m 10 m硅尖掩模(图 12b) 。对硅尖刻蚀工艺做了湿法刻蚀和干法刻蚀(RIE)实验比较。由于硅片掺杂浓硼之后 ,选用配比为 32510 HF + HNO3 +CH3COOH各向同性腐蚀液。但在工艺实验中发现 ,硼掺杂浓度对该腐蚀液腐蚀速率影响较大 ,重复性差。并且 ,横向腐蚀速率大大超过了纵向腐蚀速率 ,腐蚀速率比 23 1。因而 ,这种刻蚀办法无法获得精准清晰构造轮廓。分析以为这是由于二氧化硅掩模和硅界面处对该腐蚀液亲和性较大导致。图 13 是 RIE 刻蚀实验 SEM 照片 ,从照片上可以看出 ,RIE刻蚀构造侧面比较光滑。并且 ,通过变化腐蚀气体( SF4/O2)流量和反映室压力 ,使纵横刻蚀比能在0.81.2 之间调节。因而 ,RIE是制作硅尖抱负工艺。图14是硅尖溅射 SEM 照片。图13 RIE 刻蚀SEM 照片 图14 硅尖SEM 照片刻蚀出硅尖后 ,将二氧化硅去掉 ,再热氧一层 300nm二氧化硅作为绝缘层。然后通过剥离工艺在坑底制作硅尖电极和驱动电极 ,电极为 Ti/ Pt / Au 三层构造 ,厚度 300nm(参见图12d) 。两个电极都通过引线引至硅片上表面 ,以便通过键合和玻璃上电极相连。玻璃工艺:Pyrex7740 玻璃光刻图形化后用 RIE刻蚀出 350nm浅槽 ,使用剥离工艺在槽内制作出电极(图 12c) ,涉及传感器偏置电极和与硅片上电极相连引线。电极材料为 Ti/Pt / Au ,厚度为 200nm。电极和玻璃表面有150nm 高度差 ,这样,在键合中既能使硅片上电极与玻璃上电极相接触 ,又不至因电极隆起过高而使硅片和玻璃无法紧密接触 ,而影响键合强度。组合片工艺:静电键合又称场助键合或阳极键合,可以将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起而不需任何粘接剂 ,键合界面有良好气密性和长期稳定性 ,应用十分广泛。将硅片和玻璃倒扣在一起 ,硅片接正极 ,玻璃接负极 ,在400 度温度和1200V 电压下 ,硅/玻璃界面发生化学反映 ,形成牢固化学键而使硅和玻璃紧密结合在一起 (图 12d) 。薄片溶解法(Dissolved Wafer Process)是一种运用自停止技术 ,将硅片大某些溶解掉 ,获得各种厚度薄膜体硅工艺。依照掺杂层厚度不同 ,可以得到从 1 微米到 10 多微米厚薄膜。普通先在硅上刻蚀构造图形 ,然后与玻璃键合在一起 ,最后用湿法溶解体硅 ,这样分离出构造或薄膜就粘附在玻璃上。KOH对硅腐蚀速率在掺杂浓度超过阈值浓度(约为5 10cm)时 ,腐蚀速率很小 ,轻掺杂硅和重掺杂硅腐蚀速率之比高达数百倍 ,可以以为 KOH 对重掺杂硅不腐蚀。实验中将键合好硅片和玻璃放入KOH溶液并不断地搅拌 ,单晶硅以 1.1m/min速率被腐蚀 ,大概 7.5 小时后 ,腐蚀至自停止层。腐蚀停止后 ,硅表面平整光滑 ,525 m厚玻璃仅腐蚀了 5 m。在硅表面涂上 1 m 聚酰亚胺 ,对聚酰亚胺进行图形化 ,暴露出硅桥两侧硅 ,为后续工艺作准备。将聚酰亚胺亚胺化 ,形成绝缘层 ,然后在它上面蒸上 1 m 铝,制作出平面线圈(图 12e) 。最后 ,在硅片上甩胶 ,用光刻聚酰亚胺所用掩模板进行图形化后 ,用 ICP 将单晶硅薄膜刻穿 ,释放薄膜两个对边 ,从而形成硅桥(图 12f).方案B:单位：清华大学精密仪器系作者：朱俊华、丁衡高、叶雄英原理：如方案A：依照隧道效应构造设计：图15所示为微型隧道效应磁强计构造图，它由上层玻璃衬底和下层硅片构成。在驱动电极和偏置电极之间加上一定电压，静电力使微梁变形，当针尖和电极之间间距约为1nm时就会产生隧道电流，在梁背面平面线圈内通上交变电流，梁在Lorentz力作用下上下振动，测量隧道电流大小，就能得到粱变形量和磁感应强度大小。薄膜上表面和下表面均有一层02um厚si02作绝缘层。 图15 微型磁强计构造图 7、基于MEMS技术磁强计关于专利 （1）专利名称：MEMS水平谐振式磁强计 申请号：10077171.3 申请(专利权)人：清华大学 发明(设计)人：尤政;胡穆之;杨建中 (2) 专利名称：MEMS水平谐振式磁强计 申请号：10131270.5 申请(专利权)人：清华大学 发明(设计)人：尤政;胡穆之;杨建中 (3)、专利名称：基于微机电系统巨磁阻抗效应磁敏器件 申请号：10026606.3 申请(专利权)人：上海交通大学 发明(设计)人：周 勇;丁 文;曹 莹;陈吉安;周志敏 （4）、专利名称：基于微机电系统巨磁阻抗效应磁敏器件制作办法 申请号：10026607.8 申请(专利权)人：上海交通大学 发明(设计)人：周 勇;丁 文;曹 莹;陈吉安;周志敏 （5）、专利名称：一种MEMS微型高敏捷度磁场传感器及制作办法 申请号：10030766.X 申请(专利权)人：中华人民共和国科学院上海微系统与信息技术研究所 发明(设计)人：吴亚明;刘玉菲;李四华;万助军 （6）、专利名称：水平式隧穿磁强计 申请号：10074075.0 申请(专利权)人：清华大学;中华人民共和国电子科技集团公司第十三研究所 发明(设计)人：尤政;杨拥军;汤学华;何洪涛;王晓路;吝海峰 （7）专利名称：一种微机电系统磁场传感器及测量办法 申请号：10022319.9 申请(专利权)人：东南大学 发明(设计)人：陈 洁;黄庆安;秦 明;赵桂林（8）专利名称：以MEMS技术制造半导体材料集成三轴磁力计 申请号：10592331.0 申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司 发明(设计)人：L巴尔多;F普罗科皮奥;S泽尔比尼（9）专利名称：微机电系统磁场传感器及磁场测量办法 申请号：10022805.6 申请(专利权)人：东南大学 发明(设计)人：陈 洁;黄庆安;秦 明;张中平（10）专利名称：微机电系统微型化磁通门传感器申请号：10046099.8申请(专利权)人：上海交通大学 发明(设计)人：周 勇;雷 冲;周志敏;丁 文（11）专利名称：谐振式微机电系统磁场传感器及测量办法申请号：10029903.1申请(专利权)人：东南大学发明(设计)人：陈 洁;黄庆安;秦 明;李成章（12）专利名称：共振磁强计设备申请号：80034653.6申请(专利权)人：秦内蒂克有限公司发明(设计)人：DO金;KM布伦森8、参照论文：1姜智鹏 ，赵伟 ，屈凯峰，等. 磁场测量技术发展及其应用. 电测与仪表，,(45)：1-5，10；2潘启军,马伟明,赵治华,康军. 磁场测量办法发展及应用. 电工技术学报，,(20):7-13；3金惕若. 空间磁场测量. 测控技术，,(19)：32-35；4 董浩斌,张昌达. 量子磁力仪再评说. 工程地球物理学报，,(7)：460-470；5胡苗苗，刘海顺，李端明，王怀军. 磁场测量办法及其应用. 当代物理知识，(20)：36-38；6 张昌达，董浩斌. 量子磁力仪评说. 工程地球物理学报，,(1)：499-507；7 陈海英. 精密磁强计发呈现状及应用. 当代仪器，,6：5-7；8 张志杰，贺天民，孙昕，杜晓波. 用于近代物理实验教学振动样品磁强计. 物理实验，,(27)：37-39；9 胡穆之，尤政，杨建中，张弛. MEMS水平谐振式磁强计建模与仿真. 系统仿真学报，,(21)：2787-2790；10 刘玉菲，赵本刚，吴亚明，王跃林. 新型高敏捷度低功耗磁场传感器设计与模仿. 传感技术学报，,(19)：2068-2071；11 任大海，阎梅芝，尤政. 扭摆型谐振式磁强计及其激振与测控系统设计. 纳米技术与精密工程，,(5)：190-196；12 汤学华，何洪涛，罗 蓉，李 倩，郭荣辉，吝海峰. 水平式隧穿磁强计表头制作. 压电与声光，,(28)：48-50；13 杨建中，尤政，刘刚，康春磊. 微型磁通门式磁敏感器(MEMSMag). 功能材料与器件学报，,(14)：313-318；14 朱俊华,周兆英,叶雄英,张大成,郝一龙,李婷. 微型隧道效应磁强计设计和加工工艺研究. 微细加工技术。 ,(1)：53-56；15 任大海，阖梅芝，尤政. 谐振式MEMS磁强计原理与研究进展. 传感器与微系统,(26)：10-12，16；16 汤学华，尤政，杨建中. 谐振式隧穿磁强计理论研究.微纳电子技术,.,(7/8)：407-409；17 张海昌 ，汤学华,胡晓莉. 新型隧穿磁强计构造 多梳齿构造. 机械工程师，,(11)：13-15；18 朱俊华，丁衡高，叶雄英. 一种微型隧道效应磁强计设计. 仪器与仪表，,(11)：16-17，34；19 全玮，汤学华. 一种新型水平式MEMS 隧穿磁强计仿真. 上海电机学院学报，,(11)：95-98；20汤学华,尤政，杨拥军. 水平式隧穿磁强计建模与仿真. 压电与声光，,(27)：566-568；21 阎梅芝，董哲、任大海、尤政. 扭摆型隧穿磁强计设计办法研究. 仪器仪表学报，,(27)：1154-1158；