CN101907690A - 微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于微机电技术的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，包括：衬底、激励线圈、感应线圈、非晶磁芯、电极、聚酰亚胺保护膜，非晶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感应线圈，激励线圈和感应线圈均通过聚酰亚胺保护膜与非晶磁芯绝缘隔离，激励线圈和感应线圈均位于衬底上，激励线圈和感应线圈两端都连接电极。本发明解决了传统磁通门传感器制造稳定性、重复性差的问题，采用高性能非晶磁芯提高了微型磁通门传感器性能，全尺寸小于1cm×1cm，制造工艺兼容大规模集成电路工艺，可以和接口电路集成制造，在许多新的领域具有广泛的应用。

Description

微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电(MEM)技术领域的传感器，具体是一种微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器。

技术背景

磁通门传感器作为一种传统的弱磁场检测器件，一直有着其独特的优势而无法为其他磁场传感器所取代，近年来更是不断在新的领域发现其应用潜力，例如小型移动设备GPS定位、导弹惯性制导、小卫星方位姿态控制、虚拟现实空间内的动作检测、对高清电视(HDTV)的地磁补偿和点噪声补偿等。近年来，由于各种场的应用逐渐地扩展，对于器件的要求趋向于更薄、更轻、更便宜。相应地，磁通门传感器也试图变得更薄、更轻、更便宜。

传统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，然后在其上缠绕一个通过电流产生磁场的激励线圈，和一个在激励线圈诱发磁场基础上检测外部磁场效应的磁场感应线圈。这使得传统磁通门传感器的尺寸大、重量高、灵敏度低以及长期稳定性差。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，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。与传统磁通门传感器探头相比较，MEMS磁通门传感器探头结构紧凑，体积、质量小，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技术研制微型磁通门传感器成为国内外研究开发的热点。

经对现有技术的文献检索发现，J.Kubik等(L.Pavel and P.Ripka)在《IEEE SENSOR JOURNAL》(IEEE传感器杂志)(Vol.7，pp179-183，2007)上发表了“Low-Power Printed Circuit Board Fluxgate Sensor”(低能耗印刷电路板磁通门传感器)一文，该文提及了一个由多层印刷电路板技术开发的微型磁通门传感器，磁芯为跑道型结构，采用的是25微米厚的Vitrovac6025 X非晶合金薄带，在10kHz下磁通门传感器的灵敏度是94V/T，能耗只有3.9mW。由于制作过程中需要打出通孔来实现在磁芯上绕制线圈，传感器可能会在通过过程中被损坏。另外，与MEMS技术相比，根据这种方法很难减小磁通门传感器的尺寸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，本发明传感器具有灵敏度高、测量范围宽以及能耗低的特点，有效解决了激励线圈和感应线圈的上、下层线圈的互联问题，具有很好的热稳定性、优异的机械性能以及良好的抗环境影响能力。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括：衬底、激励线圈、感应线圈、非晶磁芯、电极、聚酰亚胺保护膜，非晶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感应线圈，激励线圈和感应线圈均通过聚酰亚胺保护膜与非晶磁芯绝缘隔离，激励线圈和感应线圈均位于衬底上，激励线圈和感应线圈两端都连接电极。

所述的衬底为硅片。

所述的激励线圈和感应线圈结构一致，均由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成。

所述的激励线圈和感应线圈，两组相连的激励线圈在非晶磁芯较短的相互平行的两边上对称绕制，感应线圈在平面内垂直于激励线圈绕制在非晶磁芯另外两条边上。

所述的非晶磁芯为通过超薄环氧树脂粘结层将非晶合金薄带粘贴在位于底层线圈和顶层线圈之间的聚酰亚胺保护膜上，然后进行图形化湿法刻蚀制作获得的矩形非晶磁芯。

所述的聚酰亚胺保护膜，非晶磁芯、激励线圈和感应线圈均由聚酰亚胺保护膜绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

所述的电极，通过刻蚀聚酰亚胺保护膜形成，电极单独暴露以连接与激励线圈和感应线圈接口电路。

本发明的微型非晶磁芯螺线管磁通门传感器的制作方法采用MEMS技术，采用准LIGA技术和微电镀技术制备激励线圈和感应线圈；采用离子束干法刻蚀技术去除牺牲层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用旋涂工艺实现超薄环氧树脂粘结层均匀粘贴非晶合金薄带，图形化湿法刻蚀方法制备非晶磁芯；采用聚酰亚胺材料作为保护膜材料，不仅起到绝缘作用，还起到支撑、包裹作用。

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技术制备的微型非晶螺线管磁通门传感器，采用正交磁通门结构设计，具有高灵敏度、宽测量范围以及体积小、重量轻等特点，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、易于标准化大批量生产。

(2)本发明采用非晶合金薄带作为磁芯材料，性能优于微型磁通门传感器常用的坡莫合金磁芯材料，大大提高了微型磁通门传感器的灵敏度和有效工作频率以及工作带宽，极大降低了能耗。

(3)本发明采用聚酰亚胺材料作为保护膜材料，绝缘性能好，采用精密抛光，保证了器件加工过程中表面平整，提高了成品率；

(4)本发明采用聚酰亚胺材料制作的保护膜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，传感器作为一个整体不会因老化而松动，延长了磁通门传感器的使用寿命；

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

(6)本发明采用MEMS技术研制，可直接在本发明基础上实现二轴微型磁通门传感器以及磁通门传感器阵列，同时工艺过程与大规模集成电路工艺相兼容，可直接与接口电路集成制造，从而提供更多磁测量功能适应不同应用领域需求，例如飞机、导弹和车辆的定位，虚拟现实空间内的动作检测，对高清电视(HDTV)的地磁补偿和点噪声补偿，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为感应线圈，4为磁芯，5为电极，6为聚酰亚胺保护膜，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为环氧树脂粘结层，11为感应线圈的底层线圈，12为感应线圈的连接导体，13为感应线圈的顶层线圈。

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、感应线圈3、非晶磁芯4、电极5、聚酰亚胺保护膜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在平面内垂直绕制一组三维螺线管感应线圈3；激励线圈2位于衬底1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的两端连接电极5；感应线圈3位于衬底1上，由底层线圈11、顶层线圈13通过连接导体12连接形成，感应线圈3的两端连接电极5，激励线圈2和感应线圈3均通过聚酰亚胺保护膜6与磁芯4绝缘隔离。非晶磁芯4通过超薄环氧树脂粘结层10粘贴在位于底层线圈7、11和顶层线圈9、12之间的保护膜6上。磁芯4、激励线圈2和接收线圈3均由聚酰亚胺保护膜绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出电极5。

工作时，在激励线圈2中通一交流电使磁芯4处于饱和状态，没有外部磁场时，由于差分效应感应线圈没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，感应线圈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和感应线圈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，所述的连接导体8和12的空间形状为四棱柱体，高度为20μm。

本实施例中，所述的磁芯材料为非晶合金薄带，厚度为10-30μm。

本实施例中，所述的超薄环氧树脂粘结层厚度为5μm。

本实施例采用微机电系统(MEMS)技术制备，采用准-LIGA光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和感应线圈；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；采用旋涂工艺实现超薄环氧树脂粘结层均匀粘贴非晶合金薄带，图形化湿法刻蚀方法制备非晶磁芯；采用聚酰亚胺材料作为保护膜材料，不仅起到绝缘作用，还起到支撑、包裹作用；采用精密抛光工艺，有效解决了激励线圈和感应线圈上、下层线圈的互连问题。采用MEMS技术的制备工艺可以实现磁通门传感器的薄膜化、小型化，并具有高灵敏度、测量范围宽，性能重复性好、温度稳定性好、成本低、易于标准化批量生产，可广泛应用到弱磁场探测、飞机、导弹和车辆的定位，虚拟现实空间内的动作检测，对高清电视(HDTV)的地磁补偿和点噪声补偿，小卫星方位姿态控制等领域。

Claims (7)

1.一种微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征在于，包括：衬底、激励线圈、感应线圈、非晶磁芯、电极、聚酰亚胺保护膜，非晶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感应线圈，激励线圈和感应线圈均通过聚酰亚胺保护膜与非晶磁芯绝缘隔离，激励线圈和感应线圈均位于衬底上，激励线圈和感应线圈两端都连接电极。

2.根据权利要求1所述的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征是，所述的衬底为硅片。

3.根据权利要求1所述的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征是，所述的激励线圈和感应线圈结构一致，均由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成。

4.根据权利要求1或者3所述的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征是，所述的激励线圈和感应线圈，两组相连的激励线圈在非晶磁芯相互平行的两边上对称绕制，感应线圈在平面内垂直于激励线圈绕制在非晶磁芯另外两条边上。

5.根据权利要求3所述的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征是，所述的非晶磁芯为通非晶合金薄带粘贴在位于底层线圈和顶层线圈之间的聚酰亚胺保护膜上，形成矩形非晶磁芯。

6.根据权利要求1所述的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征是，所述的聚酰亚胺保护膜，非晶磁芯、激励线圈和感应线圈均由聚酰亚胺保护膜绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

7.根据权利要求1所述的微型化非晶软磁合金磁芯螺线管磁通门传感器，其特征是，所述的电极，通过刻蚀聚酰亚胺保护膜形成，电极单独暴露以连接与激励线圈和感应线圈接口电路。

Images