CN102981131A - 基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，包括：衬底、主激励线圈、辅助激励线圈、检测线圈、磁芯、电极、聚酰亚胺薄膜，其中，在磁芯平行的两条长轴两端对称绕制四组主激励线圈，在长轴中部对称绕制三组检测线圈和两组辅助激励线圈；在同一长轴上每两组检测线圈中间分布一组所述辅助激励线圈，所述主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈均位于衬底表面，所述主激励线圈的两端连接电极。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，采用主辅线圈双重激励提高了微型磁通门传感器激励效率，有效降低了输出信号噪声和能耗，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

基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器

技术领域

本发明涉及一种测量弱磁场的微型化磁通门传感器，具体地，涉及利用基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术的集成微制造方法制造的一种基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器。

背景技术

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。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《IEEESENSOR 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Vitrovac 6025X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，提供一种基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其为基于MEMS技术的低噪声微型平面磁通门传感器，能精确检测磁场。本发明采用类跑道型的矩形磁通门结构设计，激励线圈与检测线圈均绕制在磁芯长轴上，磁芯为矩形电铸坡莫合金磁芯，磁芯长短轴宽度比为10∶1，传感器具有灵敏度高、噪声低以及能耗低的特点。其中，主激励线圈对称分布在磁芯平行的两条长轴两端，检测线圈和辅助激励线圈对称分布在长轴中部，每两组检测线圈中间分布一组辅助激励线圈，有效解决了微型磁通门传感器磁芯由于退磁效应导致的内部磁场分布不均匀问题，以及磁滞问题，提高了激励效率，降低了微型磁通门传感器噪声和能耗，提高了信号响应速度。

为了实现上述目的，本发明的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，包括：衬底、主激励线圈、辅助激励线圈、检测线圈、磁芯、电极、聚酰亚胺薄膜，其中，在磁芯平行的两条长轴两端对称绕制四组主激励线圈，在长轴中部对称绕制三组检测线圈和两组辅助激励线圈；位于同一长轴上的三组检测线圈之间同向串联，位于不同长轴上的检测线圈之间反向串联，在同一长轴上每两组检测线圈中间分布一组所述辅助激励线圈，所述磁芯、主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈均由所述聚酰亚胺保护膜包覆以绝缘隔离，所述主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈均位于衬底表面，所述主激励线圈和检测线圈的两端分别连接电极。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述衬底为石英玻璃。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述磁芯为矩形电铸坡莫合金磁芯，磁芯长短轴宽度比为10∶1。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈均为三维螺线管线圈，所述三维螺线管线圈由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成，同时所述主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈中每匝导体的线宽为50μm，各匝导体之间的间隙均为50μm。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述的磁芯、主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈均由聚酰亚胺薄膜绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述电极位于衬底表面，其厚度大于底层线圈、顶层线圈和连接导体厚度之和，并通过刻蚀所述聚酰亚胺薄膜使电极单独暴露以连接接口电路。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述电极、底层线圈、顶层线圈和连接导体材料为电铸铜。

根据上述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其中，所述主激励线圈、辅激励线圈和检测线圈每组分别为10匝、3匝和10匝

本发明的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用MEMS技术制备的低噪声微型平面磁通门传感器，采用类跑道型的矩形磁通门结构设计，具有高灵敏度、噪声低、能耗低以及体积小、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)本发明采用主辅激励线圈的双重激励方式，有效解决了微型磁通门传感器磁芯由于退磁效应导致的内部磁场分布不均匀问题，以及磁滞问题，提高了激励效率，降低了微型磁通门传感器噪声和能耗，提高了信号响应速度；

(3)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；

(4)本发明采用MEMS技术研制微型平面磁通门传感器，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；

(5)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为本发明的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器的结构示意图。

图2为沿图1所示A-A线的剖面图。

图中：1为衬底，2为主激励线圈，3为辅助激励线圈，4为检测线圈，5为磁芯，6为电极，7为聚酰亚胺薄膜，8为底层线圈，9为项层线圈，10为连接导体。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1-2所示，本发明的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器包括衬底1、主激励线圈2、辅助激励线圈3、检测线圈4、磁芯5、电极6和聚酰亚胺薄膜7。闭合的矩形磁芯5平行的两条长轴两端对称绕制四组主激励线圈2，每组主激励线圈2的匝数为10匝，在磁性5上的每个长轴中部对称绕制三组检测线圈4和两组辅助激励线圈3，位于同一长轴上的三组检测线圈之间同向串联，位于不同长轴上的检测线圈之间反向串联；在同一长轴上每两组检测线圈中间分布一组辅助激励线圈，每组检测线圈匝数为10匝，每组辅助激励线圈匝数为3匝；主激励线圈2、辅激励线圈3和检测线圈4均位于衬底1上，主激励线圈2和检测线圈4的两端分别连接电极6；主激励线圈2、辅激励线圈3和检测线圈4均通过聚酰亚胺保护膜7与磁芯5绝缘隔离。磁芯5、主激励线圈2、辅激励线圈3和检测线圈4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6。

工作时，在主激励线圈2、辅激励线圈3中通一正弦交流电使磁芯5处于饱和状态。没有外部磁场时，由于差分效应，检测线圈4没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，检测线圈4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，主激励线圈2、辅激励线圈3和检测线圈4均为三维螺线管线圈结构一致，该三维螺线管线圈由底层线圈8、顶层线圈9通过连接导体10连接形成。三维螺线管线圈的材料为电铸铜，且三维螺线管线圈中每匝导体的线宽为50μm，厚度为20μm，各匝之间间隙为50μm。

本实施例中，连接导体10的空间形状为四棱柱体，高度为30μm，衬底1为石英玻璃。

本实施例中，磁芯5为矩形电铸坡莫合金磁芯，磁芯长短轴宽度比为10∶1，长轴宽度为800μm，厚度为20μm。

本实施例中，电极6位于衬底1表面，其厚度大于底层线圈8、项层线圈9和连接导体10厚度之和，并通过刻蚀聚酰亚胺薄膜7使电极6单独暴露以连接接口电路。

本实施例采用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检测线圈，其中LIGA是深度X射线刻蚀、电铸成型、塑料铸膜三个词的结合；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检测线圈上、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。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，包括：衬底(1)、主激励线圈(2)、辅助激励线圈(3)、检测线圈(4)、磁芯(5)、电极(6)和聚酰亚胺薄膜(7)，其中，在磁芯(5)平行的两条长轴两端对称绕制四组主激励线圈(2)，在长轴中部对称绕制三组检测线圈(4)和两组辅助激励线圈(3)；位于同一长轴上的三组检测线圈(4)之间同向串联，位于不同长轴上的检测线圈(4)之间反向串联，在同一长轴上每两组检测线圈(4)中间分布一组所述辅助激励线圈(3)，所述磁芯(5)、主激励线圈(2)、辅激励线圈(3)和检测线圈(4)均由所述聚酰亚胺保护膜(7)包覆以绝缘隔离，所述主激励线圈(2)、辅激励线圈(3)和检测线圈(4)均位于衬底(1)表面，所述主激励线圈(2)和检测线圈(4)的两端分别连接电极(6)。

2.根据权利要求1所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述衬底(1)为石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述磁芯(5)为矩形电铸坡莫合金磁芯，磁芯长短轴宽度比为10∶1。

4.根据权利要求1所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述主激励线圈(2)、辅激励线圈(3)和检测线圈(4)均为三维螺线管线圈，所述三维螺线管线圈由底层线圈(8)、项层线圈(9)通过连接导体(10)连接形成，同时所述主激励线圈(2)、辅激励线圈(3)和检测线圈(4)中每匝导体的线宽为50μm，各匝导体之间的间隙均为50μm。

5.根据权利要求1-5之一所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述的磁芯(5)、主激励线圈(2)、辅激励线圈(3)和检测线圈(4)均由聚酰亚胺薄膜(7)绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

6.根据权利要求1所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述电极(6)位于衬底(1)表面，其厚度大于底层线圈(8)、顶层线圈(9)和连接导体(10)厚度之和，并通过刻蚀所述聚酰亚胺薄膜(7)使电极(6)单独暴露以连接接口电路。

7.根据权利要求1-7之一所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述电极(6)、底层线圈(8)、顶层线圈(9)和连接导体(10)材料为电铸铜。

8.根据权利要求1所述的基于主辅线圈双重激励的低噪声微型平面磁通门传感器，其特征在于，所述主激励线圈(2)、辅激励线圈(3)和检测线圈(4)每组分别为10匝、3匝和10匝。

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