CN106772143B - 一种微型磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅基集成微型化磁通门传感器，包括碳化硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和碳化硅薄膜；其中矩形磁芯位于碳化硅衬底表面的矩形凹槽内，磁芯上表面与碳化硅衬底表面平齐；激励线圈和检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，激励线圈和检测线圈的底层线圈位于矩形凹槽底部的微槽阵列内，底层线圈的通电导线之间由微槽阵列间隙的碳化硅衬底绝缘，底层线圈通过化学气相沉积碳化硅薄膜与磁芯绝缘；激励线圈和检测线圈的顶层线圈通过化学气相沉积碳化硅薄膜与磁芯绝缘，顶层线圈的通电导线间隙由化学气相沉积碳化硅薄膜填满绝缘；传感器表面由化学气相沉积碳化硅薄膜覆盖与空气隔离保护，并通过通孔露出电极。

Description

一种微型磁通门传感器

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种碳化硅基集成微型化磁通门传感器。

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，例如室内地磁定位、导弹惯性制导、小卫星姿态控制、虚拟现实动作检测、智能交通等。近年来，由于经常需要在较高温度和恶劣的环境下对特定部件进行精确转速测量，并且不能变动被测部件的结构，同时空间有限，如车辆变速箱或飞机发动机中齿轮转速的测量，往往要求磁传感器可以承受500℃以上高温。因此对磁通门传感器的要求趋向于耐高温、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工作温度范围有限，而且尺寸大、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 PrintedCircuit 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，磁芯为矩形结构，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，而且印刷电路板不能承受高温环境。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。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种微型磁通门传感器，采用MEMS技术制造，并且具有体积小，重量轻，耐高温和震动冲击等特点。

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采用MEMS技术制造出一种微型磁通门传感器，具有体积小，重量轻，耐高温和震动冲击的特点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种微型磁通门传感器，包括碳化硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和碳化硅薄膜；其中矩形的所述磁芯位于所述碳化硅衬底表面的矩形凹槽内，所述磁芯的上表面与所述碳化硅衬底表面平齐；所述矩形凹槽底部分布微槽阵列，并且所述微槽阵列两端延伸进入所述碳化硅衬底内部，在所述矩形凹槽两侧的所述碳化硅衬底表面刻蚀有阵列通孔，使所述微槽阵列的两端露出；所述激励线圈和所述检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，所述激励线圈和所述检测线圈的底层线圈位于所述矩形凹槽底部的所述微槽阵列内，所述底层线圈的通电导线之间由微槽阵列间隙的碳化硅衬底绝缘，所述底层线圈上表面与所述矩形凹槽的底部表面平齐，所述底层线圈通过碳化硅薄膜与所述磁芯绝缘；所述激励线圈和所述检测线圈的顶层线圈通过碳化硅薄膜与所述磁芯绝缘，所述顶层线圈的通电导线间隙由碳化硅薄膜填满绝缘，并通过位于所述底层线圈通电导线的两端上方的阵列通孔内的连接导体与所述底层线圈连接形成完整的三维螺线管线圈；所述微型磁通门传感器表面由碳化硅薄膜覆盖与空气隔离，并通过通孔露出电极。

进一步地，所述矩形凹槽采用干法刻蚀工艺在碳化硅衬底表面刻蚀形成，矩形凹槽宽度及深度均与磁芯的宽度和厚度相等。

进一步地，所述微槽阵列采用干法刻蚀工艺在矩形凹槽底部的碳化硅衬底上刻蚀形成，微槽两端从矩形凹槽侧壁向碳化硅衬底内部延伸300μm，微槽宽度及间隙均为50μm。

进一步地，所述阵列通孔位于矩形凹槽两侧、微槽阵列两端正上方，阵列通孔与矩形凹槽之间间距为200μm，通孔的长度为100μm，通孔的宽度及间隙均为50μm。

进一步地，所述硅微槽阵列微槽宽度及间隙均与底层线圈通电导线宽度及间隙相等，微槽深度与底层线圈厚度相等。

进一步地，所述磁芯为纳米晶软磁薄带，居里点大于500℃。

进一步地，所述碳化硅薄膜采用化学气相沉积法制作，厚度为1μm。

进一步地，所述激励线圈和检测线圈的材料为电镀铜。

进一步地，所述连接导体的材料为电镀铜。

进一步地，所述电极的材料为电铸铜。

本发明的碳化硅基集成微型化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技术与碳化硅材料及高温纳米晶软磁薄带相结合的方法，实现使用碳化硅材料替代现有MEMS磁通门传感器芯片中常用的有机绝缘包覆厚膜材料，不仅提高了MEMS磁通门传感器的工作温度范围，而且避免了使用有机绝缘材料时所需的化学机械抛光工艺，有效解决了现有MEMS磁通门传感器芯片无法在高温环境工作，且制造工艺与微电子工艺兼容性差，工艺过程污染严重的问题，提高了芯片制造良品率。

(2)本发明采用碳化硅材料作为基底以及绝缘、支撑、包覆材料，提高了MEMS磁通门传感器芯片的坚固度，可适应各种极端环境应用需求，如高温环境、低温环境、高压环境、振动环境等，拓展了MEMS磁通门传感器芯片的应用范围，增强了MEMS磁通门传感器芯片的竞争力。

(3)本发明采用1μm超薄碳化硅薄膜作为层间绝缘材料，有效改善了MEMS磁通门传感器芯片内部线圈部分与磁芯部分的磁场耦合度，提高了激励效率，降低了MEMS磁通门传感器芯片的噪声和能耗，提高了信号响应速度，有力提高了MEMS磁通门传感器芯片的使用性能。

(4)本发明采用MEMS技术研制磁通门传感器芯片，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，例如室内地磁定位、导弹惯性制导、小卫星姿态控制、虚拟现实动作检测、智能交通等。

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碳化硅衬底表面微结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的碳化硅基集成微型化磁通门传感器的结构示意图；

图3是沿图2所示A-A线的剖面图；

其中，1为碳化硅衬底，2为矩形凹槽，3为微槽阵列，4为阵列通孔，5为激励线圈，6为检测线圈，7为磁芯，8为电极，9为碳化硅薄膜，10为底层线圈，11为顶层线圈，12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1-3所示，本发明的碳化硅基集成微型化磁通门传感器包括：碳化硅衬底1、激励线圈5、检测线圈6、磁芯7、电极8和碳化硅薄膜9；其中矩形磁芯位于碳化硅衬底表面的20μm深度矩形凹槽2内，磁芯厚度为20μm；矩形凹槽底部分布微槽阵列3，并且微槽阵列3两端延伸进入碳化硅衬底1内部300μm处，在矩形凹槽2两侧200μm处的碳化硅衬底1表面刻蚀有阵列通孔4使微槽阵列3两端露出；激励线圈5和检测线圈6均为微机电三维螺线管线圈，激励线圈5和检测线圈6的底层线圈10位于矩形凹槽2底部的微槽阵列3内，底层线圈10的通电导线之间由微槽阵列3间隙的碳化硅衬底1绝缘，底层线圈10上表面与矩形凹槽2底部表面平齐，底层线圈10通过1μm厚度碳化硅薄膜与9磁芯7绝缘；激励线圈5和检测线圈6的顶层线圈11通过1μm厚度碳化硅薄膜9与磁芯7绝缘，顶层线圈11的通电导线间隙由碳化硅薄膜9填满绝缘，并通过位于底层线圈10通电导线两端上方阵列通孔4内的20μm高度的连接导体12与底层线圈10连接形成完整的三维螺线管线圈；传感器表面由1μm厚度碳化硅薄膜9覆盖与空气隔离保护，并通过1×1mm通孔露出1×1mm电极8。

工作时，在激励线圈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。因此可测量外部磁场大小和方向。

本实施例中，矩形凹槽采用干法刻蚀工艺在碳化硅衬底表面刻蚀形成，宽度为1mm。

本实施例中，微槽阵列采用干法刻蚀工艺在矩形凹槽底部刻蚀形成，微槽宽度及间隙均为50μm，深度为30μm。

本实施例中，阵列通孔采用干法刻蚀工艺在碳化硅衬底表面刻蚀形成，通孔的长度为100μm，通孔的宽度及间隙均为50μm，深度为20μm。

本实施例中，磁芯为矩形钴基纳米晶软磁薄带磁芯，居里点大于500℃，宽度为1mm。

本实施例中，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与底层线圈通过碳化硅衬底表面的通孔直接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30μm，各匝之间间隙为50μm。激励线圈匝数为60匝，检测线圈匝数为58匝。

本实施例所述的碳化硅基集成微型化磁通门传感器，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，磁芯为高温纳米晶软磁薄带，传感器具有耐高温、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，利用矩形凹槽容纳磁芯，利用矩形凹槽底部的微槽阵列容纳激励线圈与检测线圈的底层线圈找平形成平坦的磁芯支撑底面，并且使用刻蚀通孔容纳连接导体使激励线圈与检测线圈的底层线圈和顶层线圈连通，从而可以使用大厚度的磁芯提高微型化磁通门传感器的灵敏度，而且使用和碳化硅衬底同源的碳化硅薄膜作为传感器的绝缘、支撑和包覆保护材料，有效解决了现有微机电系统磁通门传感器芯片制造使用有机绝缘包覆材料使得传感器不耐高温，而且与微电子工艺兼容性差，工艺过程污染严重，良品率低且成本昂贵的问题，提高了生产效率，降低了磁通门传感器芯片的噪声和能耗，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 (10)

1.一种微型磁通门传感器，其特征在于，包括碳化硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和碳化硅薄膜；其中矩形的所述磁芯位于所述碳化硅衬底表面的矩形凹槽内，所述磁芯的上表面与所述碳化硅衬底表面平齐；所述矩形凹槽底部分布微槽阵列，并且所述微槽阵列两端延伸进入所述碳化硅衬底内部，在所述矩形凹槽两侧的所述碳化硅衬底表面刻蚀有阵列通孔，使所述微槽阵列的两端露出；所述激励线圈和所述检测线圈均为微机电三维螺线管线圈，所述激励线圈和所述检测线圈的底层线圈位于所述矩形凹槽底部的所述微槽阵列内，所述底层线圈的通电导线之间由微槽阵列间隙的碳化硅衬底绝缘，所述底层线圈上表面与所述矩形凹槽的底部表面平齐，所述底层线圈通过碳化硅薄膜与所述磁芯绝缘；所述激励线圈和所述检测线圈的顶层线圈通过碳化硅薄膜与所述磁芯绝缘，所述顶层线圈的通电导线间隙由碳化硅薄膜填满绝缘，并通过位于所述底层线圈通电导线的两端上方的阵列通孔内的连接导体与所述底层线圈连接形成完整的三维螺线管线圈；所述微型磁通门传感器表面由碳化硅薄膜覆盖与空气隔离，并通过通孔露出电极；所述矩形凹槽采用干法刻蚀工艺在碳化硅衬底表面刻蚀形成，所述微槽阵列采用干法刻蚀工艺在矩形凹槽底部的碳化硅衬底上刻蚀形成，所述碳化硅薄膜采用化学气相沉积法制作。

2.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述矩形凹槽宽度及深度均与所述磁芯的宽度和厚度相等。

3.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述微槽两端从矩形凹槽侧壁向所述碳化硅衬底内部延伸300μm，所述微槽宽度及间隙均为50μm。

4.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述阵列通孔位于矩形凹槽两侧、微槽阵列两端正上方，阵列通孔与矩形凹槽之间间距为200μm，通孔的长度为100μm，通孔的宽度及间隙均为50μm。

5.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述微槽阵列微槽宽度及间隙均与底层线圈通电导线宽度及间隙相等，微槽深度与底层线圈厚度相等。

6.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述磁芯为纳米晶软磁薄带，居里点大于500℃。

7.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述碳化硅薄膜厚度为1μm。

8.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述激励线圈和检测线圈的材料为电镀铜。

9.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述连接导体的材料为电镀铜。

10.如权利要求1所述的微型磁通门传感器，其特征在于，所述电极的材料为电铸铜。