CN103439674A - 微型正交激励磁通门传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型正交激励磁通门传感器，用于解决现有磁通门传感器灵敏度低的技术问题。技术方案是采用正交激励工作模式，具有呈S型排列的多组激励线和铁芯，具有分段铁芯结构，具有与铁芯紧密耦合的三维螺线管结构感应线圈，三维螺线管线圈的上下层之间的连通部分由多个连接导体组成。由于S型排列的多组激励线和铁芯增加了铁芯截面积，且不增加激励电流，解决了铁芯截面积过小的问题；采用三维螺线管保证了感应线圈与铁芯的紧密耦合，分段铁芯保证了增大线性测量范围而不会因为次级线圈匝数的减小而导致灵敏度大幅下降，提高了灵敏度；S型排列的多组激励线增加了传感器输入阻抗，提高了传感器工作电压，降低消耗在驱动电路上的无用功耗。

Description

微型正交激励磁通门传感器
技术领域
本发明涉及一种磁通门传感器，特别是涉及一种微型正交激励磁通门传感器。
背景技术
磁通门是一种具有良好综合性能的磁场分量传感器。微型化正交激励磁通门体积小、重量轻、结构简单，线性测量范围容易调节，但存在灵敏度低和激励效率低的技术问题。
参照图9。文献“An orthogonal fluxgate-type magnetic microsensor with electroplatedpermalloy core.Sensors and Actuators A:Physical,2007,135(1):43-49”公开了一种正交结构的微型磁通门结构及其制备方法。采用一根电镀Cu线作为激励线1；用电镀NiFe合金包覆Cu制激励线1作为铁芯2；在玻璃基底3上溅射制备平面螺旋线圈作为测量线圈4；激励线和感应线圈两端分别引出激励线焊盘5和感应线圈焊盘6。其增加线性测量范围的方法是，通过缩短铁芯长度增加被测磁场方向退磁系数。
文献所述的微型化正交激励磁通门只有一根铁芯，其铁芯横截面积小，灵敏度低；平面结构的测量线圈与铁芯耦合不够紧密，也造成灵敏度降低；缩短铁芯长度增加了被测磁场方向退磁系数，同样工艺条件下测量线圈匝数减少都将引起灵敏度下降。这种结构本身激励线的阻抗就偏小，缩短铁芯长度后激励线阻抗就更小。磁通门本身功耗低的原因是激励线圈电阻小、激励电压小，但激励电流并不小。在恒压供电的电路中，大部分功率没有供给磁通门，而是消耗在了驱动电路上。这将造成驱动效率低、驱动电路负荷过大的问题。
发明内容
为了克服现有磁通门传感器灵敏度低的不足，本发明提供一种微型正交激励磁通门传感器。该传感器采用正交激励工作模式，具有呈S型排列的多组激励线和铁芯，激励线和铁芯的组数根据对功耗和灵敏度的需求可调；具有分段铁芯结构，铁芯分段的多少根据对线性测量范围的需求可调；具有与铁芯紧密耦合的三维螺线管结构感应线圈，三维螺线管线圈的上下层之间的连通部分由多个连接导体组成。本发明所公开的磁通门采用S型排列的多组激励线和铁芯增加了铁芯截面积，且不增加激励电流，解决了铁芯截面积过小的问题；采用三维螺线管保证了感应线圈与铁芯的紧密耦合，有利于灵敏度的提高；采用分段铁芯而非单纯缩短铁芯长度保证了增大线性测量范围的条件下不会因为次级线圈匝数的减小而导致灵敏度大幅下降；S型排列的多组激励线增加了传感器输入阻抗，提高了传感器工作电压，降低消耗在驱动电路上的无用功耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微型正交激励磁通门传感器，其特点是包括衬底1、激励线2、铁芯3、感应线圈4、绝缘层5、激励线焊盘6和感应线圈焊盘7。所述衬底1是带有SiO2绝缘层5的Si衬底1，衬底1上S型排列着四根或二十根激励线2和分为一段或十段的铁芯3作为中间层，中间层被与之垂直的感应线圈4包围，感应线圈4与铁芯3之间由聚酰亚胺作为绝缘层5。衬底1用于为整个结构提供支撑。激励线2采用平行排列的多组Cu导线组成，这些平行导线在两边线端处通过与它们垂直的导线串行连接形成S型。激励线2和感应线圈4分别连接到位于衬底1上的激励线焊盘6和感应线圈焊盘7上。三维螺线管上下层通过通孔8连接，其两端分别连接到位于衬底1上的感应线圈焊盘7上，用于引线。
所述感应线圈4是三维螺线管线圈。三维螺线管的每一匝都与激励线2垂直，三维螺线管的一侧通过直角连接到间隔一匝的线圈，三维螺线管的另一侧转接的线圈形成一组螺线管，将两组螺线管串联形成感应线圈4。
所述三维螺线管中任意导线均与铁芯3垂直。
本发明的有益效果是：该传感器采用正交激励工作模式，具有呈S型排列的多组激励线和铁芯，激励线和铁芯的组数根据对功耗和灵敏度的需求可调；具有分段铁芯结构，铁芯分段的多少根据对线性测量范围的需求可调；具有与铁芯紧密耦合的三维螺线管结构感应线圈，三维螺线管线圈的上下层之间的连通部分由多个连接导体组成。本发明所公开的磁通门采用S型排列的多组激励线和铁芯增加了铁芯截面积，且不增加激励电流，解决了铁芯截面积过小的问题；采用三维螺线管保证了感应线圈与铁芯的紧密耦合，有利于灵敏度的提高；采用分段铁芯而非单纯缩短铁芯长度保证了增大线性测量范围的条件下不会因为次级线圈匝数的减小而导致灵敏度大幅下降；S型排列的多组激励线增加了传感器输入阻抗，提高了传感器工作电压，降低消耗在驱动电路上的无用功耗。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明微型正交激励磁通门传感器实施例1的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的B-B剖视图。
图4是本发明微型正交激励磁通门传感器实施例1制备过程示意图。
图5是本发明微型正交激励磁通门传感器实施例2的结构示意图。
图6是图5的A-A剖视图。
图7是图5的B-B剖视图。
图8是本发明微型正交激励磁通门传感器实施例2制备过程示意图。
图中，1-衬底，2-激励线，3-铁芯，4-感应线圈，5-绝缘层，6-激励线焊盘，7-感应线圈焊盘，8-通孔。
图9是背景技术磁通门传感器示意图。
图中，1-激励线，2-铁芯，3-玻璃基底，4-测量线圈，5-激励线焊盘，6-感应线圈焊盘。
具体实施方式
实施例1。参照图1-4。高灵敏度正交激励微型磁通门。
本实施例中的微型化正交激励磁通门包含带有SiO2绝缘层的Si衬底1，用于为整个结构提供支撑。采用S型排列的20根激励线2及其周围分段数为一段的软磁材料制成的铁芯3共同作为中间层，这样的中间层被与之垂直的三维螺线管感应线圈4包围，感应线圈4与铁芯3之间由聚酰亚胺作为绝缘层5。激励线2和感应线圈4分别连接到位于衬底1上的激励线焊盘6和感应线圈焊盘7上。三维螺线管上下层通过通孔8连接，其两端分别连接到位于衬底1上的感应线圈焊盘7上，用于引线。
激励线2、铁芯3、感应线圈4均由磁控溅射、紫外光刻、微电镀和湿法刻蚀四个步骤完成。聚酰亚胺绝缘层5通过旋涂、预亚胺化、紫外光刻、湿法刻蚀、亚胺化四个步骤完成。
具体分步制作过程如下：
在硅质衬底1上通过热氧化生长300nm厚度的SiO2绝缘层5。
采用剥离工艺，利用底层检测线圈掩膜板在SiO2绝缘层5上制备30nm厚的Ti过渡层。
采用磁控溅射溅射90nm厚度的Cu种子层。
利用电镀工艺，结合底层检测线圈掩膜板制备底层Cu导线，结合通孔掩膜板电镀用于上下层连通的铜柱。
通过湿法刻蚀去除Cu电镀种子层。
通过精确控制的旋涂，湿法刻蚀，在底层线圈中间填充PI。
旋涂聚酰亚胺绝缘层5，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔，阶段升温亚胺化PI。
离子束轰击PI表面，磁控溅射90nm厚度的NiFe合金种子层。
利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备底层铁芯。
利用电镀工艺，结合激励线掩膜板制备激励线。
利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备顶层铁芯。
通过湿法刻蚀去除NiFe电镀种子层。
旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔，阶段升温亚胺化PI。
离子束轰击PI表面，磁控溅射135nm厚度的Cu种子层。
利用电镀工艺，结合顶层检测线圈掩膜板制备顶层Cu导线。
旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀PI使用于引线的焊盘露出。
本实施例中，激励线2与铁芯3共20组，激励线2为电镀Cu，宽度50um，厚度2um，线间距60um，总长度101.3mm；激励线2周围的软磁材料采用电镀Ni79Fe21合金，上下层厚度均为1um，每根铁芯在平行于激励线方向的分段数为1段，总长度98mm。
本实施例中，感应线圈4为电镀Cu，宽度50um，厚度2um，线间距20um，共70匝，总长度357mm。
本实施例中，上下两层间的链接导体采用电镀制备并联的两个柱状导体，宽度30um，长度40um，厚度6um。
实施例2。参照图5-8。大线性测量范围，低功耗正交激励微型磁通门。
本实施例中的微型化正交激励磁通门包含带有SiO2绝缘层的Si衬底1，用于为整个结构提供支撑。采用S型排列的四根激励线2及其周围分段数为10段的软磁材料制成的铁芯3共同作为中间层，这样的中间层被与之垂直的三维螺线管感应线圈4包围，感应线圈4与铁芯3之间由聚酰亚胺作为绝缘层5。激励线2和感应线圈4分别连接到位于衬底1上的激励线焊盘6和感应线圈焊盘7上。三维螺线管上下层通过通孔8连接，其两端分别连接到位于衬底1上的感应线圈焊盘7上，用于引线。
激励线2、铁芯3、感应线圈4均由磁控溅射、紫外光刻、微电镀和湿法刻蚀四个步骤完成。聚酰亚胺绝缘层通过旋涂、预亚胺化、紫外光刻、湿法刻蚀、亚胺化四个步骤完成。
具体分步制作过程如下：
在硅质衬底1上通过热氧化生长300nm厚度的SiO2绝缘层5。
采用剥离工艺，利用底层检测线圈掩膜板在SiO2绝缘层上制备30nm厚的Ti过渡层。
采用磁控溅射溅射90nm厚度的Cu种子层。
利用电镀工艺，结合底层检测线圈掩膜板制备底层Cu导线，结合通孔掩膜板电镀用于上下层连通的铜柱。
通过湿法刻蚀去除Cu电镀种子层。
通过精确控制的旋涂，湿法刻蚀，在底层线圈中间填充PI。
旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔，阶段升温亚胺化PI。
离子束轰击PI表面，磁控溅射90nm厚度的NiFe合金种子层。
利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备底层铁芯。
利用电镀工艺，结合激励线掩膜板制备激励线2。
利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备顶层铁芯。
通过湿法刻蚀去除NiFe电镀种子层。
旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔，阶段升温亚胺化PI。
离子束轰击PI表面，磁控溅射135nm厚度的Cu种子层。
利用电镀工艺，结合顶层检测线圈掩膜板制备顶层Cu导线。
旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀PI使用于引线的焊盘露出。
本实施例中，激励线2与铁芯3共四组，激励线2为电镀Cu，宽度50um，厚度2um，线间距60um，总长度20.3mm；激励线2周围的软磁材料采用电镀Ni79Fe21合金，上下层厚度均为1um，每根铁芯3在平行于激励线方向的分段数为10段，总长度18.8mm。
本实施例中，感应线圈4为电镀Cu，宽度50um，厚度2um，线间距20um，共70匝，总长度105mm。
本实施例中，上下两层间的链接导体采用电镀制备并联的两个柱状导体，宽度30um，长度40um，厚度6um。
通过以上两个实施例可以看出：
本发明公开的微型化磁通门传感器完全采用标准MEMS工艺制作。主要工艺包括：采用磁控溅射工艺制备电镀种子层，采用紫外光刻工艺结合电镀工艺制备激励线、软磁铁芯、感应线圈和连接线圈上下层的导体，采用湿法刻蚀工艺去种子层、刻蚀形成上下层连接通孔。大量采用紫外光刻、电镀和湿法刻蚀等低成本工艺保证了经济型。
本发明公开的微型化磁通门采用呈S型串联连接的多组线-芯结构，线-芯结构的条数根据对功耗和灵敏度的需求可选。增加条数相当于增加了等效横截面积，可以提高灵敏度，增加条数也意味着增加激励线圈电阻，增加传感器输入阻抗。串联线-芯结构意味着多根铁芯用同一电流激励，不需要额外增加激励电流。
本发明公开的微型化磁通门采用分段铁芯结构，铁芯分段数根据对线性测量范围的需求可调。增加分段数可以使得外磁场方向的退磁系数增大从而增大传感器测量线性范围，同时，圆周方向的退磁系数不会变化，这意味着不需要额外增加激励电流。单纯缩短铁芯长度增加退磁系数会导致感应线圈匝数的减小，从而导致灵敏度的迅速下降，而分段铁芯可以解决这个问题。
本发明公开的微型化磁通门采用三维螺线管感应线圈，螺线管的每一匝都与激励线垂直，在器件的一侧通过直角连接到间隔一匝的线圈，在器件的另一侧转接的线圈形成另一组螺线管，将两组螺线管串联成一整个螺线管作为感应线圈，这样就能使得三维螺线管所包含的任意导线都与铁芯垂直，感应线圈能更有效的感知被测磁场的变化。
本发明公开的微型化磁通门的三维螺线管感应线圈的上下层连通部分由多个连接导体组成，可提高良品率。

Claims (3)

1.一种微型正交激励磁通门传感器，其特征在于包括衬底（1）、激励线（2）、铁芯（3）、感应线圈（4）、绝缘层（5）、激励线焊盘（6）和感应线圈焊盘（7）；所述衬底（1）是带有SiO2绝缘层（5）的Si衬底（1），衬底（1）上S型排列着四根或二十根激励线（2）和分为一段或十段的铁芯（3）作为中间层，中间层被与之垂直的感应线圈（4）包围，感应线圈（4）与铁芯（3）之间由聚酰亚胺作为绝缘层（5）；衬底（1）用于为整个结构提供支撑；激励线（2）采用平行排列的多组Cu导线组成，这些平行导线在两边线端处通过与它们垂直的导线串行连接形成S型；激励线（2）和感应线圈（4）分别连接到位于衬底（1）上的激励线焊盘（6）和感应线圈焊盘（7）上；三维螺线管上下层通过通孔（8）连接，其两端分别连接到位于衬底（1）上的感应线圈焊盘（7）上，用于引线。
2.根据权利要求1所述的微型正交激励磁通门传感器，其特征在于：所述感应线圈（4）是三维螺线管线圈；三维螺线管的每一匝都与激励线（2）垂直，三维螺线管的一侧通过直角连接到间隔一匝的线圈，三维螺线管的另一侧转接的线圈形成一组螺线管，将两组螺线管串联形成感应线圈（4）。
3.根据权利要求2所述的微型正交激励磁通门传感器，其特征在于：所述三维螺线管中任意导线均与铁芯（3）垂直。
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