一種基于超磁致伸縮薄膜的懸臂梁叉指電容磁場傳感探頭的制作方法

本發明涉及一種磁場傳感探頭，尤其涉及一種基于超磁致伸縮薄膜的懸臂梁叉指電容磁場傳感探頭。

背景技術：

磁場傳感器是可以將磁場強度轉變成電信號輸出的器件。傳統的磁場傳感器主要有測量線圈磁場計、光泵磁力計、核旋進磁力儀、超導干涉量子磁力計、磁阻磁力計、霍爾傳感器、光纜磁力計、磁光傳感器等。目前，磁場傳感器的發展趨勢為靈敏度高、溫度穩定性好、抗干擾性強、小型化、集成化、智能化和低功耗，傳統的磁場傳感器難以完全實現這些優良性能。隨著微電子機械系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)的發展，磁場傳感器向小型化和微型化發展，不僅可以降低制作成本，還可以實現對狹窄空間的待測信號的檢測。和傳統器件相比，MEMS磁場傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、成本低和可靠性高等傳統傳感器無法比擬的優點，符合磁場傳感器的發展趨勢。

本發明的磁場傳感探頭的結構為在硅基底上加工懸臂梁，懸臂梁上表面鍍有超磁致伸縮薄膜(GMF：Giant Magnetostrictive Thin Film)，并且形成叉指結構，在硅基底上鍍有鉻金屬膜，懸臂梁上鍍有鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜，硅基底和懸臂梁之間形成電容結構，待測磁場的變化導致超磁致伸縮薄膜的伸縮從而使懸臂梁發生撓曲，電容值發生變化，通過檢測電容值的變化可以檢測待測磁場的大小，電容式檢測具有結構簡單和高分辨率的優點，并且能在高溫、輻射等惡劣條件下工作。本發明的磁場傳感探頭具有小型化、重量輕、成本低等優點。

技術實現要素：

本發明針對傳統磁場傳感器的不足，設計了一種基于超磁致伸縮薄膜的叉指電容磁場傳感探頭。

本發明采用的技術方案：一種基于超磁致伸縮薄膜的叉指電容磁場傳感探頭，包括：硅基底、固支端、懸臂梁、鉻金屬膜、超磁致伸縮薄膜。

所述的固支端位于硅基底的兩側。

所述的懸臂梁通過固支端與硅基底連接，每側三個懸臂梁，兩側的懸臂梁形成叉指結構。

所述的鉻金屬膜鍍在硅基底和懸臂梁的上表面，硅基底和懸臂梁之間形成電容結構，同一側的電容結構并聯。

所述的超磁致伸縮薄膜鍍在懸臂梁上的鉻金屬膜上面，一側懸臂梁上的鉻金屬膜上面鍍正超磁致伸縮薄膜，另一側鍍負超磁致伸縮薄膜，正、負兩種超磁致伸縮薄膜的磁致伸縮系數相同或相近。在待測磁場中，由于正、負超磁致伸縮薄膜的伸縮和拉伸，使兩側的懸臂梁分別向硅基底方向和背離硅基底方向撓曲，形成差動電容。

本發明的有益效果是：

1在懸臂梁上表面和硅基上表面鍍鉻金屬膜作為粘附層和電極層，同側懸臂梁和硅基底之間的電容形成三個電容并聯結構，改善了單個檢測電容值微弱的問題。

2兩側的懸臂梁形成了叉指結構，在兩側懸臂梁的鉻金屬膜上面鍍正負類型相反的超磁致伸縮薄膜，通過對差動電容的檢測得出外界磁場的大小，可以提高傳感探頭對磁場的檢測精度。

3在兩側懸臂梁上的鉻金屬膜上面鍍超磁致伸縮薄膜，超磁致伸縮薄膜具有較大的磁致伸縮系數，能產生較大的磁致伸縮，從而有效地提高了對磁場的檢測精度。

附圖說明

下面結合附圖及具體實施方式對本發明作進一步說明。

圖1為本發明傳感探頭的立體圖。

圖2為本發明傳感探頭的半剖面圖。其中，1為硅基底，2為固支端，3為懸臂梁，4為鉻金屬膜，5為超磁致伸縮薄膜。

圖3為本發明傳感探頭的制作工藝流程圖。

圖4為本發明傳感探頭的檢測電路流程圖。

具體實施方式

本發明所采用的技術方案為：一種基于超磁致伸縮薄膜的懸臂梁叉指結構磁場傳感探頭，包括：硅基底1，固支端2，懸臂梁3，鉻金屬膜4，超磁致伸縮薄膜5，如圖2所示。

所述的懸臂梁3通過固支端與硅基底連接，在硅基底兩側排列成方向相反的兩組，每組三個懸臂梁，兩組懸臂梁形成叉指結構，如圖1所示。

所述的鉻金屬膜4鍍在硅基底1和懸臂梁3的上表面，充當超磁致伸縮薄膜的粘附層和電極層，硅基底和懸臂梁之間形成電容結構，同側的三個電容結構并聯。

所述的超磁致伸縮薄膜鍍在懸臂梁上鉻金屬膜的上面，一側懸臂梁的鉻金屬膜上面鍍正超磁致伸縮薄膜，另一側鍍負超磁致伸縮薄膜，兩種超磁致伸縮薄膜的磁致伸縮系數相同或相近，超磁致伸縮薄膜在磁場的作用下產生伸縮，其在常溫下各向異性常數幾乎為零示出巨大的磁致伸縮效應，磁致伸縮系數高達1500-2000ppm，能夠在磁場中實現敏感檢測。

本發明制作工藝流程圖如圖3所示，具體步驟：(a)在清洗后的硅基底上濺射鉻金屬膜；(b)濺射SiO₂犧牲層，利用光刻方法在SiO₂犧牲層上刻出固支端的區域；(c)在SiO₂犧牲層上生長氮化硅結構層，在氮化硅結構層上濺射鉻金屬膜；(d)用光刻法得到一側的懸臂梁形狀的區域，濺射正超磁致伸縮薄膜；再用光刻法得到另一側的懸臂梁形狀的區域，濺射負超磁致伸縮薄膜；(e)利用光刻法得到叉指結構的懸臂梁形狀的區域，再用刻蝕法在結構層得到叉指懸臂梁結構；(f)去除SiO₂犧牲層。

本發明的檢測磁場的基本原理為：在磁場中，超磁致伸縮薄膜發生伸縮，從而導致懸臂梁的撓曲。由于在懸臂梁和硅基底上鍍有鉻金屬膜充當電極層，因此在懸臂梁和硅基底之間形成電容，同一側的三個電容并聯，當懸臂梁梁發生撓曲時，兩極板間的距離發生變化，從而使電容值發生變化。當待測磁場增大時，鍍有正超磁致伸縮薄膜的懸臂梁向硅基底方向撓曲，硅基底與懸臂梁之間的距離變小，電容值變大，而鍍有負超磁致伸縮薄膜的懸臂梁背離硅基底方向撓曲，硅基底與懸臂梁之間的距離變大，電容值變小，最后利用對差動電容的檢測得出待測磁場的變化。

差動電容檢測電路框圖如圖4所示，整個檢測電路由應用差動電容的檢測和放大電路、全波整流電路和低通濾波電路組成。高頻信號發生器產生的高頻正弦波信號施加于被測電容，將被測電容變換成容抗，再通過C/V轉換把容抗變成交流電壓信號，經過放大器放大，再送入全波整流電路轉變成直流電平，最后經過低通濾波，輸入到計算機進行分析。