CN106569154B - 一种三轴磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅立方体‑玻璃键合的微机电系统三轴磁通门传感器，涉及微机电系统领域，包括一个1立方厘米硅立方基座、三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片；其中微机电系统单轴磁通门传感器芯片包含玻璃衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和聚酰亚胺薄膜。三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片通过硅‑玻璃键合沿正交的三个方向分别精确定位固定于硅立方基座共顶点正交的三个平面上。本发明解决了现有三轴磁通门传感器体积大、重量高、功耗大的问题，采用硅立方体‑玻璃键合的微机电系统三轴磁通门传感器利用微机电系统单轴磁通门传感器芯片和硅立方基座的键合，有效缩小了高精度三轴磁通门传感器的体积。

Description

一种三轴磁通门传感器

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种基于硅立方体-玻璃键合的微机电系统三轴磁通门传感器，用于测量弱磁场。

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(J.Vcelak、T.ODonnell andP.McCloskey)在《Sensors and Actuators A:Physical》(传感器与执行器A：物理)Vol.152,pp139-145,2009上发表了“Triaxial fluxgate sensor with electroplatedcore”(使用电沉积磁芯的三轴磁通门传感器)一文。该文提及了一个由多层印刷电路板技术开发的微型三轴磁通门传感器，磁芯为矩形结构，采用的是25微米厚的电沉积坡莫合金薄膜，激励线圈和检测线圈为4层平面螺旋线圈结构，在50kHz下磁通门传感器各轴的灵敏度分别是现在x轴-90V/T、y轴-112V/T和z轴-198V/T，轴间灵敏度误差很大。由于制作过程中需要打出通孔来实现磁芯的上下连通，传感器可能会在通孔过程中被损坏。另外，与MEMS技术相比，根据这种方法磁通门传感器的性能很差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种微机电系统三轴磁通门传感器，无需通过打孔连通磁芯，保证三轴磁通门传感器在制造过程中的完整性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何基于MEMS制造工艺制作三轴磁通门传感器以及如何保证轴间灵敏度的误差在可以接受的范围内。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三轴磁通门传感器，包括硅立方基座和三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片，所述三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片分别位于所示硅立方基座的共顶点正交的三个平面上，通过硅-玻璃键合技术将所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片键合到所述硅立方基座表面并精确定位固定，所述三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片的磁敏感方向分别沿正交的三个方向探测磁场的x、y、z三个分量值。

进一步地，所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片包含玻璃衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和聚酰亚胺薄膜。

进一步地，所述玻璃衬底用于键合到所述硅立方基座的表面。

进一步地，所述硅立方基座的长宽高尺寸均为1厘米。

进一步地，所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片尺寸为长度1厘米，宽度0.5厘米，厚度1.2毫米。

进一步地，所述玻璃衬底厚度为1毫米。

进一步地，键合过程中依靠所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片和所述硅立方基座二者对应的键合定位对准符号进行精确定位。

进一步地，所述键合定位对准符号采用微电铸工艺制备。

进一步地，所述键合定位对准符号材料为电铸铜。

进一步地，所述硅立方基座表面的键合定位对准符号采用数控精密机械加工制备。

本发明的基于硅立方体-玻璃键合的微机电系统三轴磁通门传感器与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用硅-玻璃键合技术在硅立方体上键合固定三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片构建三轴磁通门传感器，与传统三轴磁通门传感器使用三维骨架作为支撑粘贴磁芯然后缠绕铜线的制造方式相比，不仅大大缩短了三轴磁通门传感器的尺寸和制造周期，而且减小了三轴磁通门传感器的轴间正交误差，可实现三轴磁通门传感器的批量生产降低应用成本。

(2)本发明采用硅-玻璃键合技术在硅立方体上键合固定三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片构建三轴磁通门传感器，三轴磁通门传感器的尺寸可随着使用的微机电系统单轴磁通门传感器芯片尺寸的缩小而减小，从而可满足更多便携式、微型化应用领域的应用需求，如手机、无人机、微纳卫星等。

(3)本发明采用微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁探测单元，微机电系统单轴磁通门传感器芯片采用MEMS技术制造，与传统磁通门传感器相比稳定性好，一致性高，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响，可有效减小三轴磁通门传感器的刻度因子误差，增强了三轴磁通门传感器的性能。

(4)本发明采用微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁探测单元，可有效降低三轴磁通门传感器的噪声和能耗，提高了信号响应速度，有力提高了三轴磁通门传感器的使用性能。

(5)本发明采用微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁探测单元，其工艺过程与大规模集成电路工艺完全兼容，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。

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。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三轴磁通门传感器结构图；

图2是本发明的一个较佳实施例的硅立方基座结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的单轴磁通门传感器芯片的结构示意图；

图4是沿图3所示A-A线的剖面图；

其中：1为硅立方基座，2为微机电系统单轴磁通门传感器芯片，3为硅键合定位对准符号，4为玻璃衬底，5为激励线圈，6为检测线圈，7为磁芯，8为电极，9为聚酰亚胺薄膜，10为铜键合定位对准符号，11为底层线圈，12为顶层线圈，13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1-4所示，本发明的基于硅立方体-玻璃键合的微机电系统三轴磁通门传感器包括硅立方基座1、三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片2；其中微机电系统单轴磁通门传感器芯片2包含玻璃衬底4、激励线圈5、检测线圈6、磁芯7、电极8和聚酰亚胺薄膜9。所述三个1cm*0.5cm*0.12cm微机电系统单轴磁通门传感器芯片2分别位于1cm*1cm*1cm硅立方基座1共顶点正交的三个平面上，通过硅-玻璃键合技术利用硅键合定位对准符号3和铜键合定位对准符号10将芯片玻璃衬底粘接到硅立方基座表面实现芯片的精确定位固定，三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片的磁敏感方向分别沿正交的三个方向探测磁场的x、y、z三个分量值，三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片各有1个端点位于硅立方基座1的同一顶点处。

工作时，向微机电系统单轴磁通门传感器芯片的激励线圈5通一正弦交流电使磁芯7处于饱和状态。没有外部磁场时，由于差分效应，检测线圈6没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，检测线圈6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。三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片分别输出沿磁敏感轴相关的磁场x、y、z分量值，因此可测量外部磁场的大小和方向。

本实施例中，硅立方基座材料为本征硅，基座上键合微机电系统单轴磁通门传感器芯片的面上采用数控精密机械加工制备键合定位对准符号，对准符号形状为T字形，线宽为50μm，对准符号长宽均为250μm。

本实施例中，微机电系统单轴磁通门传感器芯片采用微机电系统工艺集成制备。磁芯为矩形电沉积坡莫合金薄膜磁芯，厚度为20μm，宽度为1mm。激励线圈和检测线圈均为微机电三维螺线管线圈结构，该三维螺线管线圈结构由顶层线圈12与底层线圈11通过连接导体13在通电导线两端端头连通形成。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。激励线圈匝数为40匝，检测线圈匝数为30匝。键合对准符号与三维螺线管线圈同步制备，材料为电铸铜，对准符号形状为T字形，线宽为50μm，对准符号长宽均为250μm。

本实施例所示的基于硅立方体-玻璃键合的微机电系统三轴磁通门传感器，其为基于MEMS技术的低噪声微型三轴磁通门传感器，能精确检测磁场。本发明采用具有玻璃衬底的微机电系统单轴磁通门传感器芯片，通过硅-玻璃键合技术将三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片沿正交的三个方向分别精确定位固定于硅立方基座共顶点正交的三个平面上，形成微型三轴磁通门传感器，传感器具有易于批量制造、成本低、灵敏度高、噪声低以及能耗低的特点。其中，利用基于标准MEMS制造工艺流程批量生产的微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁感应单元，三轴各单元的灵敏度系数和零偏完全一致；采用标准硅立方基座，以及硅-玻璃精密对准键合，极大减小了三轴磁通门传感器制备过程中产生的安装正交误差；有效解决了现有三轴磁通门传感器体积大、重量高、调试难度大，正交误差、刻度因子误差和零偏误差大，良品率低且成本昂贵的问题，提高了生产效率，降低了三轴磁通门传感器的误差和能耗，提高了信号响应速度。

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 (9)

1.一种三轴磁通门传感器，其特征在于，包括硅立方基座和三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片，所述三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片分别位于所述硅立方基座的共顶点正交的三个平面上，通过硅-玻璃键合技术将所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片键合到所述硅立方基座表面并精确定位固定，所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片包含玻璃衬底，所述玻璃衬底用于键合到所述硅立方基座的表面；所述三个微机电系统单轴磁通门传感器芯片的磁敏感方向分别沿正交的三个方向探测磁场的x、y、z三个分量值。

2.如权利要求1所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片还包含激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和聚酰亚胺薄膜。

3.如权利要求1所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述硅立方基座的长宽高尺寸均为1厘米。

4.如权利要求1所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片尺寸为长度1厘米，宽度0.5厘米，厚度1.2毫米。

5.如权利要求1或2所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述玻璃衬底厚度为1毫米。

6.如权利要求1所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，键合过程中依靠所述微机电系统单轴磁通门传感器芯片和所述硅立方基座二者对应的键合定位对准符号进行精确定位。

7.如权利要求6所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述键合定位对准符号采用微电铸工艺制备。

8.如权利要求6所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述键合定位对准符号材料为电铸铜。

9.如权利要求1所述的三轴磁通门传感器，其特征在于，所述硅立方基座表面的键合定位对准符号采用数控精密机械加工制备。