CN107526046B - 一种平面电感型磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面电感型磁传感器，包括绝缘不导磁衬底、平面线圈、导磁材料层及绝缘层，在衬底上制作平面线圈，在需要覆盖导磁材料层区域的平面线圈表面覆盖绝缘层，再覆盖导磁材料层；覆盖平面线圈的导磁材料层分为多个区域，每个区域被覆盖部分的线圈电流方向相同，覆盖不同电流方向线圈导线的导磁材料层之间不接触，导磁材料层之间的间隙大于导磁材料层的厚度。本发明用导磁材料层局部衬垫/覆盖平面线圈中电流方向相同部分，线圈电流在导磁材料层中产生的磁场不会相互抵消，增加导磁材料层对覆盖部分线圈的自感和互感作用，增强导磁材料层对线圈整体电感量的影响，导磁材料层的磁导率受磁场的作用，灵敏地反映到线圈的电感量变化；本发明采用双层线圈，可对传感器产生电控磁偏置。

Description

一种平面电感型磁传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器技术，尤其涉及到一种平面电感型磁传感器，适用于微加工平面工艺制作。
背景技术
磁传感器是用途最广泛的传感器之一，通过磁场测量可以直接或者间接测量很多种物理、化学、生物等参数。根据测量范围、分辨率、频率范围等参数要求，可以选择从原子磁强计、量子超导磁强计到霍尔元件、线圈等各种敏感原理的传感器。霍尔、磁电阻等磁传感器，可以采用微纳米级微加工工艺，实现集成、批量加工，使得敏感器件的成本极大地降低，又能充分保证批量元件性能参数的一致性。但是霍尔元件的磁场分辨率只能达到微特斯拉量级，磁电阻目前的灵敏度也只在纳特斯拉范围，而且频率范围只适合低频。采用高磁导率的非晶材料制作的磁阻抗传感器，测量灵敏度和频率范围等性能可以优于霍尔、磁电阻传感器，但是较高灵敏度的传感器信号的读出通常是通过绕制在高磁导率材料(丝，线等等)上，不能用微纳加工的平面工艺制作，影响到器件的成本和批量制作的性能和成本；采用平面工艺制作的薄膜型磁阻抗传感器，由于电导体部分通常采用直线、蛇形等非闭合型结构，灵敏度较低。
Luomahaara等提出采用超导材料的制作的平面电流环的动态电感特性制作的高灵敏度磁传感器。尽管这种器件结构完全是采用平面工艺实现，但是由于超导性能只能在极低温下(4.2K)工作，这种动态电感磁传感器不适合广泛应用。
也有许多用于检测动态磁场的线圈是采用工艺简单、制作容易的平面线圈。这些平面线圈只能检测动态，尤其是高频磁场，不能作为低频，特别是静态磁场传感器。
在微型化磁通门磁传感器中，也有采用平面闭合线圈，作为传感器的激励和读出线圈。但是，其中的磁芯，仍然是采用体结构，嵌入到平面结构中。
在线圈中加入导磁材料作为磁芯，可以汇聚线圈电流产生的磁通，增强线圈的自感和互感。
当采用磁性材料作为线圈的磁芯，磁芯会影响线圈在电流I激励下产生的磁铰链Ψ，磁铰链和磁芯的有效磁导率μeff成正比，线圈电感为
Figure BDA0001353937410000021
Ψ0在真空(空气)中的磁铰链，L0是没有加磁性材料的空心线圈的电感。
一般认为一旦线圈和磁芯材料及其尺寸确定，其有效磁导率和其材料磁导率一样是固定不变的，而实际上线圈的电感是会随着作用到磁芯的磁场改变的。这是由于磁性材料的B-H曲线是非线性的，它的磁导率也是磁场的非线性函数。当磁性材料用作线圈的磁芯，对磁铰链回路磁通的增强是由有效磁导率μeff决定的，有效磁导率μeff依赖于材料的磁导率，还和磁性材料形成的磁回路形状、尺寸、线圈电流引起的材料磁极化有关。如果线圈电流产生的磁场约束在磁性材料层越多并且磁场越强，有效磁导率越高；同时如果磁性材料形成了闭合回路，它的有效磁导率μeff会更接近材料磁导率μ。
为了便于和电路集成，也为了大批量生产加工，很多用于高频场合的电感，采用平面结构，即在衬底上用金属线条形成平面线圈的图形，这些图形有螺旋形，蛇形等等。为了增加线圈的电感量，一般都会在线圈和衬底之间，或者线圈表面增加一层导磁材料薄膜。为了在磁性材料中形成闭合的磁场，也可以在线圈的上下都覆盖导磁材料。不管是在平面线圈的一个表面，还是上下表面都覆盖导磁材料层，如果导磁材料层覆盖整个线圈，由于在线圈中不同位置流过的电流方向是完全相反的，所以流过线圈的电流在导磁材料层中产生的磁场部分相互抵消，使得导磁材料层影响电感的有效磁导率远远小于材料的磁导率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种平面电感型磁传感器，可以增强磁性材料对平面线圈的作用，使得线圈的电感量能够灵敏反映作用到磁性材料的磁场。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种平面电感型磁传感器，其特征在于：包括绝缘不导磁衬底、平面线圈、导磁材料层以及绝缘层，在衬底上制作平面线圈，在需要覆盖导磁材料层区域的平面线圈表面覆盖绝缘层，然后覆盖导磁材料层；覆盖平面线圈的导磁材料层分为多个区域，每个区域被覆盖部分的线圈电流方向完全相同，覆盖不同电流方向线圈导线的导磁材料层之间不接触，导磁材料层之间的间隙大于导磁材料层的厚度。
上述技术方案中，在所述平面线圈的每个区域的上下表面同时覆盖导磁材料层，并使得上下导磁材料层连接。
上述技术方案中，所述平面线圈为两层线圈，两层线圈不连接，其中一个线圈用作传感，另一个线圈用作偏置。
上述技术方案中，所述衬底为二氧化硅。
上述技术方案中，所述导磁材料层为硅钢或者铁磁合金或者铁磁非晶或者铁磁纳米晶。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明用导磁材料层局部衬垫/覆盖平面线圈中电流方向相同部分，线圈电流在导磁材料层中产生的磁场不会相互抵消，增加了导磁材料层对覆盖部分线圈的自感和互感的作用，进而增强了导磁材料层对线圈整体电感量的影响，这样导磁材料层的磁导率受磁场的作用，就会灵敏地反映到线圈的电感量变化中，使得这种线圈成为一种可以测量静态和动态磁场的高灵敏磁传感器；采用双层线圈，可对传感器产生电控磁偏置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的实施例一的一种平面电感型磁传感器的顶视图；
图2为本发明的实施例一的一种平面电感型磁传感器的剖视图；
图3为本发明的实施例二的一种平面电感型磁传感器的顶视图；
图4为本发明的实施例二的一种平面电感型磁传感器的剖视图；
图5为本发明的实施例三的一种平面电感型磁传感器的剖视图；
图6为本发明的实施例四的一种平面电感型磁传感器的剖视图；
其中，1-衬底1，2-平面线圈，3-导磁材料层，4-绝缘层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提出一种由导磁材料层和平面线圈构成的电感式磁传感器。本发明的一种平面电感型磁传感器，包括绝缘不导磁衬底、平面线圈、导磁材料层以及绝缘层，在衬底上制作平面线圈，在需要覆盖导磁材料层区域的平面线圈表面覆盖绝缘层，然后覆盖导磁材料层；覆盖平面线圈的导磁材料层分为多个区域，每个区域被覆盖部分的线圈电流方向完全相同，覆盖不同电流方向线圈导线的导磁材料层之间不接触，导磁材料层之间的间隙大于导磁材料层的厚度。
为了增强有效磁导率，在平面线圈的每个区域的上下表面同时覆盖导磁材料层，并使得上下导磁材料层连接。
为了对磁性材料产生磁偏置，平面线圈为两层线圈，两层线圈不连接，其中一个线圈用作传感，另一个线圈用作偏置。衬底为二氧化硅。
实施例1
用二氧化硅作为衬底，以溅射或者电镀的方法在其上制作矩形平面线圈，在矩形线圈的一臂涂覆一层二氧化硅薄膜，在二氧化硅薄膜上再以溅射或者电镀的方法制作一层FeNi合金薄膜层如图1-2所示，图1-2分别为实施例一的一种平面电感型磁传感器的顶视图和剖视图。
实施例2
用二氧化硅作为衬底，以溅射或者电镀的方法在其上制作矩形平面线圈，在矩形线圈平行的两臂上涂覆一层二氧化硅薄膜，分别在涂覆了二氧化硅薄膜的线圈导线区域以溅射或者电镀的方法制作一层FeNi合金薄膜层，覆盖线圈两臂的合金薄膜层不相连，最小间距大于薄膜层厚度，如图3-4所示，图3-4分别为实施例二的一种平面电感型磁传感器的顶视图和剖视图。
实施例3
用二氧化硅作为衬底，以溅射或者电镀的方法在其上制作FeNi合金薄膜层，合金薄膜层可以是一个区域，也可以是多个不相连的区域，区域之间的最小间距大于薄膜层厚度，在合金薄膜层上制作二氧化硅薄膜层，在有合金薄膜层和二氧化硅绝缘层的衬底上制作矩形平面线圈，矩形线圈的一个臂放置在合金薄膜层的一个区域，保证在该区域的线圈导线电流方向相同，在有合金层的线圈部分上方覆盖二氧化硅薄膜层，然后以溅射或者电镀的方法制作FeNi合金薄膜层，并使上覆盖的合金层和在衬垫上对应位置的合金层联通，如图5所示，图5为实施例三的一种平面电感型磁传感器的剖视图。
实施例4
用二氧化硅作为衬底，以溅射或者电镀的方法在其上制作FeNi合金薄膜层，合金薄膜层可以是一个区域，也可以是多个不相连的区域，区域之间的最小间距大于薄膜层厚度，在合金薄膜层上制作二氧化硅薄膜层，在有合金薄膜层和二氧化硅绝缘层的衬底上制作矩形平面线圈，矩形线圈的一个臂放置在合金薄膜层的一个区域，保证在该区域的线圈导线电流方向相同，在线圈上覆盖二氧化硅薄膜，在相同位置再制作形状一样、外尺寸相同、线圈匝数可以不同的线圈，在有合金层的衬垫的线圈部分上方覆盖二氧化硅薄膜层，然后以溅射或者电镀的方法制作FeNi合金薄膜层，并使上覆盖的合金层和在衬垫上对应位置的合金层联通。如图6所示，图6为本发明的实施例四的一种平面电感型磁传感器的剖视图。两个线圈一个用作传感器的信号激励读出，一个用作电控偏置。
实施例5
上述实施例中的FeNi层，可以用任何其他导磁材料，如硅钢、铁磁合金、铁磁非晶、铁磁纳米晶等制作。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种平面电感型磁传感器，其特征在于：包括绝缘不导磁衬底、平面线圈、导磁材料层以及绝缘层，在衬底上制作平面线圈，在需要覆盖导磁材料层区域的平面线圈表面覆盖绝缘层，然后覆盖导磁材料层；覆盖平面线圈的导磁材料层分为多个区域，每个区域被覆盖部分的线圈电流方向完全相同，覆盖不同电流方向线圈导线的导磁材料层之间不接触，导磁材料层之间的间隙大于导磁材料层的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种平面电感型磁传感器，其特征在于：在所述平面线圈的每个区域的上下表面同时覆盖导磁材料层，并使得上下导磁材料层连接。
3.根据权利要求2所述的一种平面电感型磁传感器，其特征在于：所述平面线圈为两层线圈，两层线圈不连接，其中一个线圈用作传感，另一个线圈用作偏置。
4.根据权利要求1所述的一种平面电感型磁传感器，其特征在于：所述衬底为二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种平面电感型磁传感器，其特征在于：所述导磁材料层为硅钢或者铁磁合金或者铁磁非晶或者铁磁纳米晶。
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