CN104614690B - 一种微型阵列式磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

一种微型阵列式磁通门传感器，包括：衬底、激励线圈、感应线圈、磁芯、焊盘、聚酰亚胺保护膜。传感器的磁芯设计为“田”字形环状闭合结构，由于这种结构具有闭合的对称磁通路径，从而能够减小磁漏现象。磁芯的每条边上绕有一组线圈，每组线圈分别引出焊盘，十二条边共有12组线圈。每组线圈绕有一定匝数的导线。本发明解决了微型化磁通门传感器的可靠性低和使用寿命短的问题。

Description

一种微型阵列式磁通门传感器

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阵列式磁通门传感器。

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。采用微细加工的方法制作的微型化磁通门式传感器,具有体积小、重量轻、功耗低和结构简单等优点。人类发明出了许多不同磁芯结构的磁通门传感器，如磁芯结构为圆形、跑道形、U形、E形、I形或T等形状。随着科技的不断发展，人们对弱磁场探测的需求不断提高，要求能够准确、快速地获得弱磁场数据，这就要求我们要发明出更先进的结构来满足人类对微弱磁场的探测要求；通过结构创新来提高传感器的灵敏精度，并最终能够提升整个检测系统的精度。同时，通过传感器的结构创新，可以简化制造工艺，有利于降低制造成本和易于批量化生产。目前，迫切需要结构创新来实现磁通门传感器的系统化，集成化，智能化。推动我国MEMS微系统的产业化。但存在灵敏度低和激励效率低的技术问题。

但是现有微型化磁通门传感器存在着灵敏度低和激励效率低的技术问题。文献“MEMS micro fluxgate sensors with mutual vertical excitation coils anddetection coils: Microsyst Techno, 2009,(15):969–972”公开了一种感应线圈和激励线圈相互垂直正交的微型磁通门传感器结构及其制备方法。传感器磁芯结构为长方形，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。其增加线性测量范围的方法是，通过增大感应环圈的横截面积，进而增大感应电压的幅值。

文献所述的微型化磁通门传感器，其磁芯横截面积小，灵敏度低；激励线圈的匝数比较少，也造成灵敏度降低。同时，两组激励线圈用采用串联，中间用一细长线条连接，使激励线圈本身内阻很大，不利于传感器功耗的降低；驱动效率低下，在通入激励信号时，会产生大量的热噪声，使后端的感应信号处理工作变得困难；感应线圈的线条长度过长，虽然增大了感应线圈的横截面积，但是加工困难，线条在加工和使用过程中容易断裂，降低了传感器的可靠性和使用寿命。

发明内容

为了克服现有磁通门传感器灵敏度低和激励效率低的不足，本发明提供一种微型阵列式磁通门传感器。该传感器采用正交激励工作模式，即感应线圈和激励线圈相互垂直正交，包括：衬底1、激励线圈2、感应线圈3、磁芯4、焊盘5、6聚酰亚胺保护膜。传感器的磁芯设计为“田”字形环状闭合结构，由于这种结构具有闭合的对称磁通路径，从而能够减小磁漏现象。磁芯的每条边上绕有一组线圈，每组线圈分别引出焊盘，十二条边共有12组线圈。每组线圈绕有一定匝数的导线。磁芯外围的八条边上分别绕制八组相互独立的三维螺线管激励线圈，磁芯中心处的四条边上绕制四组三维螺线管感应线圈。由于X轴和Y轴两个方向上都有激励和检测线圈，因此可以同时检测两个方向上的磁场强度。通过对采集到的X、Y方向信号进行处理，可以得到平面内任意方向的磁场。

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、激励线圈2、感应线圈3、铁芯4、焊盘5、绝缘层6 、底层线圈7、线圈立柱8和顶层线圈9。所述的衬底1 用于为整个结构提供支撑，在衬底上1上先制作底层线圈7(所有线圈都只完成一半)；在底层线圈7图形上制备绝缘层5；对绝缘层5进行刻蚀镂空，使底层线圈7与线圈立柱8的连接处充分裸露；在镂空后的绝缘层5上制作线圈立柱8；在绝缘层6上制作磁芯4；在镂空后的绝缘层6上制作顶层线圈9；最后刻蚀出焊盘5。

所述的衬底1为硅片。

所述的绝缘层6为聚酰亚胺保护膜。

所述的线圈材料为Cu。

所述的磁芯4材料为电镀的坡莫合金材料（Ni_0.8Fe_0.2），磁芯结构采用“田”字形设计，采用磁控溅射法将坡莫合金材料溅射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磁芯结构。

所述的绝缘层6是聚酰亚胺保护膜，磁芯4、激励线圈2和感应线圈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。

所述的激励线圈2和感应线圈3结构一致，均由底层线圈7、顶层线圈9通过线圈立柱8连接形成，底层线圈7做成直的线条，两端与线圈立柱8连接；顶层线圈9做成倾斜的线条，其一端与底层线圈7上的线圈立柱8重合，另一端与相邻的底层线圈7的另外一端的线圈立柱8重合，重复此过程，便形成了螺旋状，即形成了一组三维螺线管线圈。

所述的激励线圈2，分8组绕制在“田”字形磁芯4外围的八条边上，每组线圈都独立引出焊盘5，通过改变施加在焊盘5上的感应电流的方向，可以改变感应磁场的方向，所以本发明的感应磁场方向可控。

所述的感应线圈3，分4组绕制在“田”字形磁芯4中心的四条边上，四组线圈中两两垂直，每两组可以串联使用，也可单独使用，可以同时测量两个正交方向上的磁场。

所述的焊盘5，焊盘截面为正方形，厚度与线圈厚度保持一致，通过刻蚀绝缘层形成，焊盘单独暴露以连接与激励线圈和感应线圈接口电路，便于封装测试。

本发明的微型阵列式磁通门传感器的制作方法采用MEMS 技术，采用光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和感应线圈；在制作上下层线圈过程中运用了精密抛光工艺；采用磁控溅射工艺和图形化湿法刻蚀方法制备软磁磁芯；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。

本发明与现有传感器相比，具有以下有益的效果。

(1) 本发明采用MEMS 技术制备的阵列式磁通门传感器，采用“田”字形结构设计，增加了感应线圈的匝数，降低了激励信号的功率，极大降低了能耗。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) 本发明激励线圈采用分组设计，磁芯外围的八条边上共计绕制八组线圈，每组线圈独立引出焊盘，当传感器的某一组或几组激励线圈发生断裂时，其它的激励线圈仍能保持传感器的正常工作。这样的设计大大提高了传感器的可靠性和使用寿命；每组激励线圈可以独立施加激励信号，通过改变施加在焊盘上的感应电流的方向，可以改变感应磁场的方向，所以本发明的感应磁场方向可控。

(3) 本发明采用采用“田”字形结构设计，时传感器结构对称，能够降低因传感器不对称带来的噪声，提高了传感器的分辨力和精度。

(4) 本发明采用每组线圈独立引出焊盘引脚的设计，焊盘的厚度与线圈厚度保持一致，降低了线圈的阻值。通过焊接方式在焊盘上引出引线，减小了欧姆连接，便于采用电子封装技术，将传感器封装成芯片，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。

(5) 本发明采用感应线圈绕制在田字形磁芯中心的四条边上，，四组线圈中两两垂直，每两组可以串联使用，也可单独使用；在同一激励信号作用下，可以同时测量两个正交方向上的磁场，通过算法可实现平面内任意方向磁场的测量，拓宽了磁通门传感器的应用领域。

附图说明

图1 是本发明微型阵列式磁通门传感器的结构示意图。

图2 是图1中线圈结构的正视图。

图3 是图1的正视图。

图4是图3 的A-A 剖视图。

图5是图3的B-B 剖视图。

图6是本发明微型阵列式磁通门传感器实施例1 制备过程示意图。

图中，1- 衬底，2- 激励线圈，3-感应线圈，4-磁芯，5-焊盘，6-绝缘层，7- 底层线圈，8- 线圈立柱，9- 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1-5所示，本实施例包括衬底1、激励线圈2、感应线圈3、磁芯4、焊盘5、绝缘层6，闭合的“田”字形磁芯外围的八条边上分别绕制八组相互独立的三维螺线管激励线圈2，在“田”字形磁芯中心的四条边上绕制四组三维螺线管感应线圈3 ；激励线圈2和感应线圈3位于衬底1 上，由底层线圈7、顶层线圈9 通连接立柱8 连接形成，激励线圈2和感应线圈3的两端分别连接焊盘5 ；激励线圈2 和感应线圈3 均通过绝缘层6 与磁芯4 绝缘隔离。磁芯4位于底层线圈7和顶层线圈9 之间的绝缘层6上。磁芯4、激励线圈2 和感应线圈3 均由绝缘层6绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出焊盘引脚5。

激励线2、感应线圈3、磁芯4 均由磁控溅射、紫外光刻、微电镀，精密抛光和湿法刻蚀五个步骤完成。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。

选用晶向为（100）厚度为250µm硅基片作为衬底1，将该基底利用硫酸加双氧水（4:1）去除硅片的有机污染物，然后用去离子水（DI）超声波清洗去除基底表面杂质。

在硅质衬底1 上通过热氧化生长200nm 厚度的SiO2 绝缘层5。

采用磁控溅射溅射100nm 厚度的Cu 种子层。

利用电镀工艺，结合底层线圈掩膜板制备底层Cu 导线，结合过孔掩膜板电镀制备上下层连通的线圈立柱8。

通过湿法刻蚀去除Cu 电镀种子层。

通过精确控制的旋涂，在底层线圈中间填充PI（PI是指分子结构中含有环状酰亚胺基团的高分子材料）。

旋涂聚酰亚胺绝缘层6，阶段升温亚胺化PI。

采用精密抛光工艺，使表面平整、均匀，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔。

离子束轰击PI 表面，磁控溅射100nm 厚度的NiFe 合金种子层。

利用电镀工艺，结合磁芯掩膜板制备磁芯4。

利用电镀工艺，结合过孔掩膜板制备上下层连接的线圈立柱8。

通过精确控制的旋涂，旋涂聚酰亚胺绝缘层5，阶段升温亚胺化PI。

采用精密抛光工艺，使表面平整、均匀，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔。

采用磁控溅射溅射100nm 厚度的Cu 种子层。

利用电镀工艺，结合顶层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，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60μm，厚度为15μm，各匝之间间隙为60μm。

本实施例中，所述的线圈立柱的空间形状为四棱柱体，横截面50μm×80μm，高度为15-20μm。

本实施例中，所述的磁芯材料为坡莫合金材料，厚度为5-15μm。

工作时，在激励线圈2 中通一交流电，励磁线圈中的周期性的交变电流和环境直流或准直流磁场的共同作用下，过饱和地对磁芯4进行磁调制，在包裹磁芯的感应线圈3中会产生周期性的感生电动势，这个感应电动势不仅含有和励磁电流同频率的基波分量，还含有高次谐波。其中，偶次谐波是和环境磁场存在某种确定的数量关系的。当没有环境磁场存在时，输出信号中没有偶次谐波分量；当存在环境磁场并且当环境磁场远小于磁芯的饱和磁化强度时，偶次谐波(特别是二次谐波)和环境磁场近似线性关系。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的大小和方向。

本实施例采用 MEMS工艺技术制备，采用光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和感应线圈；在制作上下层线圈过程中运用了精密抛光工艺，有效解决了激励线圈和感应线圈上、下层线圈的互连问题；采用磁控溅射工艺和图形化湿法刻蚀方法制备磁芯；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。

Claims (6)

1.一种微型阵列式磁通门传感器，包括：衬底（1）、激励线圈（2）、感应线圈（3）、磁芯（4）、焊盘（5）、聚酰亚胺保护膜（6）；其特征在于：传感器的磁芯设计为“田”字形环状闭合结构，由于这种结构具有闭合的对称磁通路径，从而能够减小磁漏现象；磁芯共有12条边，每条边上有一组线圈，共12组；磁芯外围的八条边上分别绕制八组相互独立的三维螺线管激励线圈（2），磁芯中心处的四条边上绕制四组三维螺线管感应线圈（3）；由于X轴和Y轴两个方向上都有激励和检测线圈，因此可以同时检测两个方向上的磁场强度；通过对采集到的X、Y方向信号进行处理，可以得到平面内任意方向的磁场。

2.根据权利要求1 所述的微型阵列式磁通门传感器，其特征在于：所述的磁芯（4）材料为电镀的坡莫合金材料Ni_0.8Fe_0.2，磁芯结构采用“田”字形设计，采用磁控溅射法将坡莫合金材料溅射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磁芯结构。

3.根据权利要求1所述的微型阵列式磁通门传感器，其特征在于：所述的激励线圈（2）和感应线圈（3）结构一致，均由底层线圈（7）、顶层线圈（9）通过线圈立柱（8）连接形成，底层线圈（7）做成直的线条，两端与线圈立柱（8）连接；顶层线圈（9）做成倾斜的线条，其一端与底层线圈（7）上的线圈立柱（8）重合，另一端与相邻的底层线圈（7）的另外一端的线圈立柱（8）重合，重复此过程，便形成了螺旋状，即形成了一组三维螺线管线圈。

4.根据权利要求1所述的微型阵列式磁通门传感器，其特征在于：所述的激励线圈（2），分8组绕制在“田”字形磁芯（4）外围的八条边上，每组线圈都独立引出焊盘（5），通过改变施加在焊盘（5）上的感应电流的方向，可以改变感应磁场的方向，所以本发明的感应磁场方向可控。

5.根据权利要求1所述的微型阵列式磁通门传感器，其特征在于：所述的感应线圈（3），分4组绕制在“田”字形磁芯（4）中心的四条边上，四组线圈中两两垂直，每两组可以串联使用，也可单独使用，可以同时测量两个正交方向上的磁场。

6.根据权利要求1所述的微型阵列式磁通门传感器，其特征在于：所述的焊盘（5），焊盘截面为正方形，厚度与线圈厚度保持一致，通过刻蚀绝缘层形成，焊盘单独暴露以连接与激励线圈和感应线圈接口电路，便于封装测试。