使用标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造微机电系统（MEMS）已经成为了现代半导体行业的重要实践。微系统与纳米工程（Microsystems & Nanoengineering）期刊于2022年9月16日发表了一份研究成果《CMOS-MEMS洛伦兹力磁力计的设计、制造、表征与可靠性研究》（Design, Fabrication, Characterization and Reliability Study of CMOS-MEMS Lorentz-force Magnetometers）回顾了CMOS和MEMS的设计和工艺技术。这些技术应用于制造高产量的CMOS-MEMS屏蔽洛伦兹力磁力计（LFM）。
后端工艺（BEOL）的多层金属和氧化物通常用于电子布线，构成了MEMS的结构部分。一些制造的磁力计被封装在无引脚扁平封装（QFN）中。通过采用适当的设计，该过程可以实现超过95％的产量。尽管CMOS并不是MEMS制造工艺，但性能（灵敏度和噪声水平）类似或优于当前的商用磁力计和使用MEMS工艺制造的其他磁力计。此外，通过屏蔽电极解决了洛伦兹力磁力计中的典型偏移，其效率得到了量化。
CMOS 与 MEMS的结合
今天，最常见的大规模生产的半导体器件的制造工艺是CMOS技术。商用传感器的专用集成电路（IC）接口是采用这种技术制造的。然而，传感元件需要使用专门的微加工工艺来制造。在许多应用中，将CMOS电子设备和微机电系统（MEMS）器件集成在单个芯片上（CMOS-MEMS）具有可能性，可以降低制造成本、减小尺寸、减少寄生效应、降低功耗，并且速度更快，这与其他集成方法相比具有优势。
这些优势在过去几十年中促进了大量的科学研究，导致了多项发展，这些发展通常根据MEMS相对于CMOS电路的制造时间进行分类。集成可以通过先MEMS后CMOS（PRE-CMOS）、先CMOS后MEMS（POST-CMOS）或零级（ZERO-LEVEL）技术进行。第一种方法的例子是惠普的MEMS压力传感器，它通过牺牲层蚀刻结合硅体微加工，制造了多个晶圆堆叠和玻璃键合。第二种方法通常是使用标准的表面微加工，最终将MEMS结构集成到CMOS电路上。零级方法使用的标准CMOS工艺几乎不受MEMS兼容性的影响，但在保持CMOS性能方面受到严格限制。每种方法都有其优缺点，根据具体应用需求选择最佳方案。
MEMS洛伦兹力磁力计是近年来广泛研究的传感器之一，因为它们在检测磁场变化方面具有高灵敏度和高分辨率。传统的磁力计，如霍尔效应传感器和磁阻传感器，存在灵敏度低和噪声大的问题，而MEMS洛伦兹力磁力计则通过利用微机械结构和洛伦兹力效应来克服这些问题。
在微系统与纳米工程发表的期刊中，作者提出了一种使用标准CMOS工艺制造的三轴洛伦兹力磁力计。通过适当的设计和制造技术，实现了高产量和高性能的CMOS-MEMS器件。
洛伦兹力磁力计：工作原理与分析
洛伦兹力磁力计利用洛伦兹力（带电粒子在磁场中受到的力）来测量磁场。MEMS结构通过电流在磁场中产生的洛伦兹力偏转，偏转量与磁场强度成正比。通过检测这种偏转，可以测量出磁场的大小。下图展示了洛伦兹力磁力计的工作原理：当磁场B存在时，通过MEMS梁的电流I产生洛伦兹力F_L = I × B，这种力使得梁发生偏转。梁的偏转可以通过电容式传感器检测到，从而得出磁场强度。
灵敏度与洛伦兹电流引起的偏移
洛伦兹力磁力计的灵敏度取决于电流、结构尺寸和材料特性。为了提高灵敏度，需要优化设计参数，如梁的长度和厚度。此外，电流引起的偏移是一个重要问题，微系统与纳米工程发表的期刊采用了屏蔽电极和对称布线设计，成功地减少了偏移。屏蔽电极的设计如下图所示，通过在电流路径上添加屏蔽电极，可以有效减少电流引起的偏移，从而提高测量精度。
噪声与定向精度
噪声水平直接影响磁力计的精度。微系统与纳米工程发表的期刊研究了不同气压和温度下的Q因子和共振频率，发现热弹性阻尼（TED）是低压下的主要阻尼机制，气体粘度解释了空气阻尼情况下Q因子的温度变化。实验表明，最终CMOS-MEMS QFN封装器件的布朗噪声水平在9.5至15 nT/√Hz之间，使用600 μA电流时，可以实现约0.045°/√Hz的定向精度。下图展示了不同气压和温度下的Q因子和共振频率变化曲线。
性能比较
与当前商用磁力计和使用MEMS工艺制造的三轴洛伦兹力磁力计相比，微系统与纳米工程文章提出的CMOS-MEMS磁力计在QFN封装中表现出非常有竞争力的结果。传感器面积是3轴MEMS磁力计中最小的，MEMS的CMOS制造成本低于0.01美元。尽管CMOS技术不是专为MEMS设计的，但通过适当的设计技术，可以制造出与商用产品相媲美甚至优于商用产品的CMOS-MEMS器件。
Work Consulted
[1] Valle, J.J., Sánchez-Chiva, J.M., Fernández, D. et al. Design, fabrication, characterization and reliability study of CMOS-MEMS Lorentz-force magnetometers. Microsyst Nanoeng 8, 103 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00423-w
