CN101481083A - 微机电系统的微型化磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

一种微机电技术领域的微机电系统的微型化磁通门传感器。本发明包括衬底、激励线圈、接收线圈、磁芯、引脚、聚酰亚胺绝缘材料，闭合的矩形磁芯上对称绕制两组相连的三维螺线管激励线圈，与激励线圈垂直绕制一组三维螺线管接收线圈，激励线圈和接收线圈均通过聚酰亚胺材料与磁芯绝缘隔离，激励线圈和接收线圈均位于衬底上，并且两端连接引脚。所述的磁芯材料为电镀的NiFe合金。本发明解决了传统磁通门传感器安装调试困难，稳定性、重复性差的问题，制造工艺与大规模集成电路工艺兼容，可以和接口电路集成制造，在许多新的领域具有广泛应用。

Description

微机电系统的微型化磁通门传感器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的磁敏传感器，具体是一种基于微机电系统(MEMS)技术的微型化磁通门传感器。

背景技术

磁敏传感器是一个既能传感磁场又能从中获取信息的固态器件，它把与磁感应强度有关的信息转换成电信号。利用磁敏传感器进行磁场的探测和测量，尤其是对弱磁场的探测和测量，在汽车电子、工业过程控制、生物医学、航空航天等具有非常重要的应用前景和技术价值。作为高灵敏度的弱磁场传感器，可广泛用于舰船和车辆等的电子指南针和导航系统、空间星际间的磁场测量和应用、飞行器和微卫星的飞行姿态控制、潜艇探测、地球物理勘探、封装检测等。当前对弱磁传感器的需求迫使科学家提高磁敏传感器的灵敏度、微型化并与电路系统集成。磁通门传感器作为一种弱磁场检测器件，早在第二次世界大战时已用于潜艇的探测，近年来在卫星发射、运载火箭、航天器等更是作为姿态敏感器而被广泛使用。传统的磁通门传感器使用一个坚固的骨架作为基座，将软磁带状磁芯固定于骨架上，然后在其上缠绕线圈。其结果是体积大、高重量、灵敏度低及长期稳定性差。90年代以来，微机电系统(MEMS)技术的飞速发展，为微型化磁通门传感器的研制提供了一条有效可靠的途径。采用MEMS技术研制微型化、集成化的磁通门传感器成为国内外研究开发的热点。与传统的磁通门传感器相比较，MEMS磁通门传感器结构紧凑，体积小、质量轻，安装调试简单，不怕震动撞击，受环境温度变化影响小。采用MEMS技术研制的微型化磁通门传感器，可广泛应用于航空航天、车辆、坦克和飞行器的导航和定位、潜艇和金属物体的探测及通信卫星上。

经对现有技术的文献检索发现，T.M.Liakopoulos等(TrifonM.Liakopoulos and Chong H.Ahn)在《SENSORS AND ACTUATORS》(传感器与执行器)(VOL.77，pp.66-72，1999)上发表了“A Micro—Fluxgate MagneticSensor Using Micromachined Planar Solenoid Coils”(采用微机械平面螺线管线圈的微型化磁通门传感器)一文，该文提及了由坡莫合金作为磁芯的平面螺线管线圈的微型化磁通门传感器。作者采用UV—LIGA厚胶工艺和电镀工艺，在玻璃上研制出了平面型3—维磁芯螺线管线圈，用作激励和接收线圈。磁芯为矩形—环形结构，是采用电镀技术电镀的坡莫合金。该磁通门传感器由玻璃衬底、铜螺线管线圈、坡莫合金磁芯以及光刻胶组成，传感器的尺寸为5mm×2.5mm，在100KHz下磁通门传感器的灵敏度为418V/T。作者采用平行磁通门结构设计，激励线圈与接收线圈处于平行位置，激励线圈与接收线圈相互影响，器件具有低的测量范围。另外，作者采用光刻胶作绝缘层，光刻胶具有机械性能差、强度低、绝缘性差及热稳定性差等缺点，受外界冲击影响大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微机电系统的微型化磁通门传感器。本发明采用平面正交磁通门结构设计，激励线圈与接收线圈处于正交位置，接收线圈与磁场方向平行且不受激励线圈影响，器件具有宽广的线性测量范围和较低的功耗。采用聚酰亚胺为绝缘层和抛光工艺，有效解决了激励线圈和接收线圈上、下层线圈的互联问题。聚酰亚胺具有很好的热稳定性、优异的机械性能及良好的抗环境影响能力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括衬底、激励线圈、接收线圈、磁芯、引脚、聚酰亚胺绝缘材料，闭合的矩形磁芯上对称绕制两组相连的三维螺线管激励线圈，与激励线圈垂直绕制一组三维螺线管接收线圈，激励线圈和接收线圈均通过聚酰亚胺材料与磁芯绝缘隔离，激励线圈和接收线圈均位于衬底上，并且两端连接引脚。

所述的激励线圈和接收线圈结构相同，都是由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成，激励线圈和接收线圈都两端连接引脚。

所述的磁芯为电镀的NiFe合金材料。

本发明中，磁芯、激励线圈和接收线圈均由聚酰亚胺绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出引脚。聚酰亚胺不仅起到绝缘作用，还起到支撑、包裹的作用。

本发明的微型化磁通门传感器的制作方法采用微机电系统(MEMS)技术，首先在衬底材料上制作双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用准—LIGA光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和接收线圈；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用微电镀技术制备NiFe磁芯材料；采用聚酰亚胺做绝缘材料，聚酰亚胺不仅起绝缘作用，还起到支撑、包裹的作用。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用MEMS技术制备微型化磁通门传感器，采用正交磁通门结构设计，具有高的灵敏度、更宽的线性测量范围、体积小、重量轻等优点及广泛的用途。而且MEMS技术具有与大规模集成电路相兼容的能力，重复性好、成本低，易于大批量生产；

(2)本发明采用聚酰亚胺材料作为绝缘材料，结合力好，采用精密机械抛光，保证了器件加工工艺过程中表面平整、均匀性好，提高了成品率；

(3)本发明采用聚酰亚胺材料作为密封材料，密封包裹整个磁通门传感器，避免了长时间工作状态下线圈和磁芯在空气中的氧化，延长了磁通门传感器的使用寿命；

(4)本发明采用MEMS技术研制微型化磁通门传感器，与传统磁通门传感器相比稳定性好、重复性高，没有安装调试过程，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响；

(5)本发明采用MEMS技术研制，可以直接在现有单轴微型化磁通门传感器的基础上实现二轴微型化磁通门传感器，提供更多的磁测量功能，不需要额外的制造工艺和安装调试过程；可以实现磁通门传感器阵列；

(6)本发明采用MEMS技术研制，工艺过程可以和大规模集成电路工艺相兼容，可直接与接口电路集成制造构成不同用途的磁通门传感器产品，广泛应用于各种便携式电子产品如手机、笔记本电脑的GPS定位，导弹惯性制导系统、小卫星方位姿态控制等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为沿图1所示A-A剖面图。

图3为沿图1所示B-B剖面图。

图中：1为衬底，2为激励线圈，3为接收线圈，4为磁芯，5为引脚，6为聚酰亚胺绝缘材料，7为激励线圈的底层线圈，8为激励线圈的连接导体，9为激励线圈的顶层线圈，10为接收线圈的底层线圈，11为接收线圈的连接导体，12为接收线圈的顶层线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-3所示，本实施例包括衬底1、激励线圈2、接收线圈3、磁芯4、引脚5、聚酰亚胺绝缘材料6，闭合的矩形磁芯4上对称绕制两组相连的三维螺线管激励线圈2，与激励线圈2垂直绕制一组三维螺线管接收线圈3；激励线圈2位于衬底l上，由底层线圈7、顶层线圈9通过连接导体8连接形成，激励线圈2的两端连接引脚；接收线圈3位于衬底1上，由底层线圈10、顶层线圈12通过连接导体11连接形成，接收线圈3的两端连接引脚5，激励线圈2和接收线圈3均通过聚酰亚胺绝缘材料6与磁芯4绝缘隔离。磁芯4、激励线圈2和接收线圈3均由聚酰亚胺绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出引脚5。

工作时，在激励线圈2中通一交流电流使磁芯4处于饱和状态，没有外部磁场时，接收线圈3没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，接收线圈3会有输出信号，信号为偶次谐波，经滤波后可得到二次谐波信号。二次谐波信号大小与外部磁场成正比，因此可测量外部磁场大小和方向。

本实施例中，所述的激励线圈2和接收线圈3为螺线管线圈，每匝导体的线宽为50μm，厚度为20μm，各匝之间间隙为50μm。

本实施例中，所述的激励线圈2的底层线圈7、顶层线圈9的导体长度为1000μm。

本实施例中，所述的接收线圈3的底层线圈10、顶层线圈12的导体长度为3360μm。

本实施例中，所述的连接导体8和11的空间形状为四棱柱体，高度为20μm。

本实施例中，所述的磁芯材料4为电镀的NiFe合金，厚度为5-20μm。

本实施例采用微机电系统(MEMS)技术制备，首先在衬底材料上制作双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用准—LIGA光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和接收线圈；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用微电镀技术制备NiFe磁芯材料；采用聚酰亚胺做绝缘材料，聚酰亚胺不仅起绝缘作用，还起到支撑、包裹的作用；采用精密抛光工艺，有效解决了激励线圈和接收线圈上、下层线圈的互联问题。MEMS技术可以实现其制备工艺与IC工艺兼容，可与配套的检测电路制作在一起，实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高灵敏度、响应速度快，性能重复性好、温度稳定性好及易于大批量生产。可广泛应用到弱磁场探测、小型手持设备或车辆GPS定位、导弹惯性制导、小卫星方位姿态控制等领域。

Claims (6)

1、一种微机电系统的微型化磁通门传感器，其特征在于包括衬底(1)、激励线圈(2)、接收线圈(3)、磁芯(4)、引脚(5)、聚酰亚胺绝缘材料(6)，闭合的矩形磁芯(4)上对称绕制两组相连的三维螺线管激励线圈(2)，与激励线圈(2)垂直绕制一组三维螺线管接收线圈(3)，激励线圈(2)和接收线圈(3)均通过聚酰亚胺材料(6)与磁芯(4)绝缘隔离，激励线圈(2)和接收线圈(3)均位于衬底(1)上，并且两端连接引脚(5)。

2、如权利要求1所述的微机电系统的微型化磁通门传感器，其特征是，所述的激励线圈(2)和接收线圈(3)结构相同，都是由底层线圈(7)、顶层线圈(9)通过连接导体(8)连接形成。

3、如权利要求2所述的微机电系统的微型化磁通门传感器，其特征是，所述的连接导体(8)的空间形状为四棱柱体，高度为20μm。

4、如权利要求1所述的微机电系统的微型化磁通门传感器，其特征是，所述的磁芯(4)、激励线圈(2)和接收线圈(3)均由聚酰亚胺绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出引脚(5)。

5、如权利要求1或4所述的微机电系统的微型化磁通门传感器，其特征是，所述的磁芯(4)材料为电镀的NiFe合金，厚度为5μm-20μm。

6、如权利要求1或2或4所述的微机电系统的微型化磁通门传感器，其特征是，所述的激励线圈(2)和接收线圈(3)的导体材料为电镀铜，宽度为50μm，厚度为20μm，匝间间隙为50μm。

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