CN104977548A - 一种多孔铁芯结构微型磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多孔铁芯的微型磁通门传感器。硅基底(1)作为衬底支撑层；激励线圈(2)和感应线圈(3)采用三维螺线管结构，由两端通孔(4)连通上下层；铁芯(5)采用软磁材料、多孔结构，铁芯上的孔将铁芯分割形成多组局部变截面积结构；聚酰亚胺(6)作为各层之间的绝缘层；激励线圈对应“无孔”位置，感应线圈对应“有孔”位置，交替缠绕；激励线和感应线圈通过焊盘(7、8)引出。本发明所涉及的微型磁通门传感器能有效降低微型磁通门功耗，提高灵敏度。

Description

一种多孔铁芯结构微型磁通门传感器

技术领域：

本发明涉及一种磁通门传感器，特别是采用微机电(MEMS)技术制备的微型磁通门传感器。 

背景技术：

磁通门是一种具有很好综合性能的磁场分量传感器。微型化磁通门具有体积小、重量轻、结构简单等特点，但存在着功耗高及由于体积小功耗高引起的散热困难等问题。 

参照图9，文献“A fully integrated ring-type fluxgate sensor based on a localized core saturation method.IEEE Transactions on Magnetic，2007，43(4)：1040-1043”公开了一种变截面积铁芯结构的微型磁通门传感器。采用环形软磁材料作为铁芯(1)，铁芯在感应线圈所对应的位置横截面积(2)缩小为激励线圈对应位置横截面积(3)的十分之一；采用电镀铜线作为激励线圈(4)和感应线圈(5)；激励线圈和感应线圈两端分别引出激励线圈焊盘(6)和感应线圈焊盘(7)。其降低磁通门功耗的方法是，通过变截面积铁芯结构，使得感应线圈对应的铁芯部分可以在激励电流较小的情况下先于激励线圈对应的铁芯部分达到饱和状态，从而通过降低激励电流的方法降低磁通门传感器功耗。 

然而，文献所述的变截面积铁芯结构微型磁通门激励线圈与感应线圈分别处于铁芯的不同位置且距离较远加之采用变截面积结构，导致激励线圈与感应线圈耦合不够紧密、漏磁严重、电流效率低，阻碍了传感器功耗的进一步降低。 

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超低功耗、微型化、低成本且易与集成电路相集成的微型化磁通门传感器。本发明所公开的磁通门传感器采用环形 软磁铁芯，铁芯呈多孔结构；铁芯上的孔在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列，通过孔将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构；激励线圈和感应线圈均采用三维螺线管结构垂直铁芯长边缠绕，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；激励线圈和感应线圈交替缠绕；激励线圈缠绕在铁芯上无孔位置(局部变截面积结构中铁芯截面积较大部位)，感应线圈缠绕在孔上(局部变截面积结构中铁芯截面积较小部位)；激励线圈和感应线圈均由设置在传感器两端的焊盘引出。 

本发明所公开的微型磁通门传感器所采用的多孔结构铁芯将整个铁芯在局部分割成整齐排列的多组变截面积结构，激励线圈与无孔位置对应，感应线圈与有孔位置对应保证了每组变截面积结构均可起到降低激励电流的目的；激励线圈和感应线圈均采用三维螺线管结构且交替排列保证了激励线圈与感应线圈紧密耦合，漏磁最小，提高了激励电流的效率；与现有技术中采用的整体变截面积结构相比较，采用多孔铁芯结构使得感应线圈所对应的较小铁芯截面积部分可以在更小的电流下达到饱和状态，传感器功耗大幅降低且传感器体积和工艺复杂度不会发生变化。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案： 

本发明包含带有二氧化硅绝缘层的硅衬底，三维螺线管激励线圈，三维螺线管感应线圈，用于连接上下层导线的通孔，多孔结构铁芯，聚酰亚胺绝缘和保护层，感应线圈引线焊盘和激励线圈引线焊盘。硅衬底用于为整个结构提供支撑，硅衬底上的二氧化硅绝缘层用于绝缘；激励线圈和感应线圈均由生长在二氧化硅绝缘层上的底层铜导线，两端用于连通上下层的通孔和顶层铜导线构成的三维螺线管结构构成；激励线圈和感应线圈均由两端的引线焊盘引出；三维螺线管结构将中间层铁芯包裹，线圈与铁芯之间以聚酰亚胺作为绝缘层和保护层；双铁芯磁通门传感器的两根铁芯在两端连接构成环形以降低激励磁场退磁系数；铁芯制作成多孔结构，在垂直铁芯轴向密集排 列，在平行铁芯轴向间隔排列，将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构；激励线圈和感应线圈交替缠绕，激励线圈对应铁芯上无孔位置而感应线圈对应铁芯上的孔所在位置。 

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软磁铁芯、激励线圈、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，采用湿法刻蚀工艺刻蚀聚酰亚胺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多孔铁芯结构，铁芯上的孔在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列，将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构。变截面积结构保证了感应线圈对应的铁芯部分可以在较小的激励电流下达到饱和状态，从而减小所需激励电流，降低磁通门传感器功耗。 

本发明公开的微型化磁通门采用激励线圈和感应线圈交替缠绕，激励线圈和感应线圈分别对应无孔和有孔位置使得变截面积结构起到减小激励电流的目的；而两组线圈交替缠绕保证了漏磁通最小，激励电流效率提高，从而也达到减小所需激励电流降低功耗的目的。 

本发明公开的微型化磁通门采用三维螺线管激励和感应线圈，螺线管的每一匝都与铁芯轴向垂直，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，形成两组线圈交替缠绕结构。三维螺线管所包含的任意导线都与铁芯垂直，激励线圈能够更有效的激励而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。 

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果： 

(1)本发明采用多孔结构软磁铁芯替代现有技术的变截面积结构，在能兼顾变截面积所带来益处的同时大大降低激励线圈到感应线圈之间的漏磁，从而使得激励电流能够有效的工作，达到减小激励电流，降低传感器功耗的目的。 

(2)本发明采用三维螺线管感应线圈，在上下层感应线圈连通部分采用多个连接导体提高良品率。 

(3)本发明大量选用如紫外光刻、电镀、湿法刻蚀等低成本MEMS工艺，在保证与集成电路很好集成的前提下降低成本。 

附图说明：

图1和图5给出了本发明两种实施例结构的顶视示意图。 

图2为图1A-A’剖面示意图。 

图3为图1B-B’剖面示意图。 

图4为实施例一制备过程示意图。 

图6为图5A-A’剖面示意图。 

图7为图5B-B’剖面示意图。 

图8为实施例二制备过程示意图。 

图1、2、3、5、6、7中(1)为衬底、(2)为激励线圈、(3)为感应线圈、(4)为连接上下层的通孔、(5)为多孔结构铁芯、(6)为聚酰亚胺绝缘和保护层、(7)为感应线圈焊盘、(8)为激励线圈焊盘、(9)为铁芯上的孔。 

图9为文献“A fully integrated ring-type fluxgate sensor based on a localized core saturation method.IEEE Transactions on Magnetic，2007，43(4)：1040-1043”公开的变截面 积结构微型磁通门传感器示意图。 

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明： 

实施例一：蜂窝状孔微型磁通门 

参照附图1，2，3，本实施例中的多孔铁芯结构微型磁通门传感器包含带有二氧化硅绝缘层的硅衬底，用于为整个结构提供支撑。采用双铁芯结构，铁芯两端相接形成环形，铁芯上具有在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列的六边形孔，这些孔将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构。这样的铁芯层被与之垂直的三维螺线管激励线圈和感应线圈包围，感应线圈与铁芯之间由聚酰亚胺作为绝缘层和保护层。感应线圈和激励线圈分别连接到位于衬底上的焊盘。 

激励线圈、感应线圈和软磁铁芯均由磁控溅射、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。 

参照附图4具体分步制作过程如下： 

1)在硅衬底上通过热氧化生长300nm厚度的二氧化硅绝缘层(1)。 

2)采用剥离工艺，利用底层线圈掩膜板在二氧化硅绝缘层上制备30nm厚的Ti过渡层(2)。 

3)采用磁控溅射溅射90nm厚度的铜种子层(3)。如图4(a)所示。 

4)利用电镀工艺，结合底层线圈掩膜板制备底层铜导线(4)，然后，结合通孔掩膜板电镀用于上下层连同的铜柱(5)。 

5)通过湿法刻蚀去除铜种子层。 

6)通过精确控制的旋涂，湿法刻蚀，在底层线圈中间填充PI(聚酰亚胺)(6)。 

7)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连同的通孔，阶段升温亚胺化PI (6)。如图4(b)所示。 

8)离子束轰击PI表面，磁控溅射90nm厚度的NiFe合金种子层(7)。如图4(_c)所示。 

9)利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备铁芯(8)。如图4(d)所示。 

10)通过湿法刻蚀去除NiFe电镀种子层。 

11)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连同的通孔，阶段升温亚胺化PI。 

12)离子束轰击PI表面，磁控溅射135nm厚度的铜种子层。 

13)利用电镀工艺，结合顶层线圈掩膜板制备顶层铜导线(9)。 

14)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀PI使用于引线的焊盘(10)露出。如图4(e)所示。 

本实施例中，激励线圈和感应线圈均为电镀铜，宽度30μm，线间距20μm，厚度2μm，每根铁芯上的激励线圈和感应线圈均为23匝。 

本实施例中，多孔结构软磁铁芯采用电镀Ni₇₉Fe₂₁合金，长度为3100μm，宽度为500μm，厚度为2μm。铁芯上的孔为六边形，垂直铁芯轴向每列5个孔，相邻孔相邻两边间距10μm，两侧孔距离铁芯边缘各5μm；激励线圈对应的铁芯截面积与感应线圈对应的铁芯截面积比为5∶1；平行铁芯轴向每行23个孔，相邻孔两顶点间距40μm；六边形的四个短边长度为25μm，两个长边长度为30μm。 

本实施例中，上下两层间的链接导体采用电镀制备并联的2个柱状导体，宽度20μm，长30μm，厚度6μm。 

实施例二：方形孔微型磁通门 

参照附图5，6，7，本实施例中的多孔铁芯结构微型磁通门传感器包含带有二氧化硅绝缘层的硅衬底，用于为整个结构提供支撑。采用双铁芯结构，铁芯两端相接形 成环形，铁芯上具有在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列的六边形孔，这些孔将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构。这样的铁芯层被与之垂直的三维螺线管激励线圈和感应线圈包围，感应线圈与铁芯之间由聚酰亚胺作为绝缘层和保护层。感应线圈和激励线圈分别连接到位于衬底上的焊盘。 

激励线圈、感应线圈和软磁铁芯均由磁控溅射、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。 

参照附图8具体分步制作过程如下： 

1)在硅衬底上通过热氧化生长300nm厚度的二氧化硅绝缘层(1)。 

2)采用剥离工艺，利用底层线圈掩膜板在二氧化硅绝缘层上制备30nm厚的Ti过渡层(2)。 

3)采用磁控溅射溅射90nm厚度的铜种子层(3)。如图4(a)所示。 

4)利用电镀工艺，结合底层线圈掩膜板制备底层铜导线(4)，然后，结合通孔掩膜板电镀用于上下层连同的铜柱(5)。 

5)通过湿法刻蚀去除铜种子层。 

6)通过精确控制的旋涂，湿法刻蚀，在底层线圈中间填充PI(聚酰亚胺)(6)。 

7)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连同的通孔，阶段升温亚胺化PI(6)。如图4(b)所示。 

8)离子束轰击PI表面，磁控溅射90nm厚度的NiFe合金种子层(7)。如图4(c)所示。 

9)利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备铁芯(8)。如图4(d)所示。 

10)通过湿法刻蚀去除NiFe电镀种子层。 

11)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀出用于上下层连同的通孔，阶段升温亚胺化PI。 

12)离子束轰击PI表面，磁控溅射135nm厚度的铜种子层。 

13)利用电镀工艺，结合顶层线圈掩膜板制备顶层铜导线(9)。 

14)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀PI使用于引线的焊盘(10)露出。如图4(e)所示。 

本实施例中，激励线圈和感应线圈均为电镀铜，宽度30μm，线间距20μm，厚度2μm，每根铁芯上的激励线圈和感应线圈均为43匝。 

本实施例中，多孔结构软磁铁芯采用电镀Ni₇₉Fe₂₁合金，长度为5100μm，宽度为1000μm，厚度为2μm。铁芯上的孔为四边形，垂直铁芯轴向每列10个孔，相邻孔相邻两边间距10μm，两侧孔距离铁芯边缘各5μm；激励线圈对应的铁芯截面积与感应线圈对应的铁芯截面积比为10∶1；平行铁芯轴向每行43个孔，相邻孔相邻两边间距70μm；四边形的两个短边长度为30μm，两个长边长度为90μm。 

本实施例中，上下两层间的链接导体采用电镀制备并联的2个柱状导体，宽度20μm，长30μm，厚度6μm。 

Claims (7)

1.一种微机电系统的采用多孔结构铁芯的磁通门传感器，其特征在于：包括衬底、激励线圈、感应线圈、用于连接上下层线圈的通孔、多孔结构的软磁铁芯、聚酰亚胺绝缘和保护层、引线焊盘。多孔结构的软磁铁芯被交替缠绕的三维螺线管结构激励线圈和三维螺线管结构感应线圈包围，作为传感器的主体部分。铁芯和线圈之间由聚酰亚胺作为绝缘层和保护层，激励线圈和感应线圈分别连接到位于衬底上的焊盘用于引线。

2.如权利要求1所述的多孔结构铁芯磁通门传感器，其特征在于：采用软磁材料作为铁芯，软磁铁芯采用多孔结构，孔的形状可采用但不限于四边形或六边形。

3.如权利要求1或2所述的多孔结构铁芯磁通门传感器，其特征在于：在垂直铁芯轴向，孔间隔较小密集排列，在沿铁芯轴向，孔间距较大排列，在沿铁芯轴向形成多列“有孔-无孔”交替结构，将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构。

4.如权利要求1或2所述的多孔结构铁芯磁通门传感器，其特征在于：采用三维螺线管激励线圈和三维螺线管感应线圈，激励线圈和感应线圈交替缠绕。

5.如权利要求1或2所述的多孔铁芯结构磁通门传感器，其特征在于：用作激励线圈和感应线圈的三维螺线管由上下两层组成，两层之间的连通部分由多个连接导体组成。

6.如权利要求1或2所述的多孔铁芯结构磁通门传感器，其特征在于：激励线圈缠绕在铁芯上相邻两孔之间有完整铁芯的区域，感应线圈缠绕在垂直于铁芯长边的每一列孔所在的位置。

7.如权利要求1或2所述的多孔铁芯结构磁通门传感器，其特征在于：激励线圈、感应线圈为低电阻率金属。