CN109358301A

CN109358301A - 一种基于缝纫式线芯结构的微型磁通门传感器

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Publication number: CN109358301A
Application number: CN201811145216.1A
Authority: CN
Inventors: 吕辉; 胡治国; 李良; 李成杰; 梁智超
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2018-09-29
Filing date: 2018-09-29
Publication date: 2019-02-19

Abstract

本发明公开了一种微型磁通门传感器，激励线和铁芯采用缝纫式线芯结构，铁芯为矩形平面结构；激励线为多条直线段首尾相连组成的折线形结构，如缝纫线一样，上下往复穿过铁芯平面；感应线圈为三维螺线管结构垂直铁芯长边缠绕，三维螺线管线圈上下层之间的连通部分由一个连接导体组成；骨架使用硅片作为基底制作，用于承载铁芯、激励线、感应线圈、焊盘；激励线和感应线圈均由设置在传感器两端的焊盘引出。该微型磁通门的激励线上下往复穿过铁芯平面，能够提高铁芯整体饱和程度，增强激励磁场，有利于减小磁通门的尺寸；感应线圈采用三维螺线管结构有利于磁场的紧密耦合，该微型磁通门的线芯结构能有效提高微型磁通门的灵敏度。

Description

一种基于缝纫式线芯结构的微型磁通门传感器

技术领域

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

背景技术

磁通门传感器（以下简称为磁通门）是一种综合性能很好的弱磁测量传感器，具有分辨率高、温度稳定性好和剩磁误差小的特点，其中正交磁通门结构简单，线性测量范围大，但存在灵敏度低、制造成本高的问题。

文献“国际公布号是WO2007010378的专利”公开了一种集成的正交磁通门磁场传感器。铁芯材料采用覆层的形式围绕励磁杆，激励线、铁芯和感应线圈以沉积和图案化形成的多层的方式堆积于衬底上。感应线圈采用至少两层平面螺线结构，位于铁芯覆层的纵向末端附近。通过改变激励线和铁芯覆层结构的长度调节磁通门的线性测量范围，通过增加感应线圈的层数来提高磁通门的灵敏度，通过采用集成电路电路层堆积工艺降低制造成本。

然而，文献所述的正交磁通门使用改变结构长度的方式增大测量范围，会引起磁通门灵敏度的下降；平面螺线结构的感应线圈效率不高；通过增加感应线圈层数来提高灵敏度的方法增加了制作复杂度和制造成本；使用集成电路电路层堆积工艺制作的铁芯截面积小，不利于传感器灵敏度的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型化、高灵敏度且易与集成电路相集成的微型磁通门传感器。本发明所公开的磁通门，其激励线与铁芯使用缝纫式线芯结构，铁芯为矩形平面结构；激励线呈由多条直线段首尾相连组成的折线形结构，如缝纫线一样，上下往复穿过铁芯平面；感应线圈呈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一个连接导体组成；骨架使用硅片作为基底制作，用于承载铁芯、激励线、感应线圈、焊盘；激励线和感应线圈均由设置在传感器两端的焊盘引出。

本发明所公开的磁通门采用缝纫式线芯结构，性能优良；折线形的激励线在铁芯上下表面穿行，有利于促进提高铁芯的整体饱和程度，增强激励磁场，有利于减小磁通门的尺寸；感应线圈采用三维螺线管结构有利于磁场的紧密耦合，降低漏磁场，提高激励电流的效率。与现有技术中的微型磁通门相比较，采用这一线芯结构使得铁芯能够在相同的激励电流下达到更高的饱和程度，提高传感器的灵敏度，而传感器的体积不会发生明显变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明包含铁芯1、激励线2、激励线引线焊盘3、感应线圈4、感应线圈引线焊盘5、衬底6和绝缘层7。铁芯1采用软磁材料，为矩形平面结构；激励线2由多条直线段首尾相连组成折线结构，如缝纫线一样，上下往复穿过铁芯平面；感应线圈4使用三维螺线管结构直接缠绕在矩形平面铁芯的外部；激励线2和感应线圈4分别连接至激励线引线焊盘3和感应线圈引线焊盘5；使用带有二氧化硅绝缘层的硅片作为衬底6，用以支撑整个传感器的结构。

所述的激励线2采用由多条直线段首尾相连组成的折线结构，上下往复穿过铁芯平面，其中露出铁芯上下表面的直线段部分，截面积尺寸一致，激励线两端连接焊盘作为引线接口，用于连接外部电路。

所述的激励线2在铁芯1上下表面穿过的数量和各直线段部分的尺寸可根据研究时不同的外部参数要求进行调整。

所述的绝缘层7是聚酰亚胺保护膜，铁芯、激励线和感应线圈均由聚酰亚胺保护膜绝缘，并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

所述的激励线、激励线引线焊盘、感应线圈、感应线圈引线焊盘的材料为Cu。

所述的铁芯材料为电镀的坡莫合金材料（Ni_0.8Fe_0.2）。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果。

（1）本发明的激励线和铁芯采用缝纫式的线芯结构，激励线如缝纫线一样，上下往复穿过铁芯平面，用于替代现有技术在励磁杆上进行覆层的形式，能够提高铁芯整体饱和程度，增强激励磁场，有利于减小磁通门的尺寸。

（2）感应线圈采用三维螺线管结构有利于磁场的紧密耦合，降低了漏磁，提高了传感器的灵敏度。

（3）本发明大量采用如紫外光刻、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，易于标准化大批量生产。

附图说明：

图1为本发明实施例的铁芯与激励线的顶视图。

图2为图1的 A-A剖面示意图。

图3为本实施例的整体顶视图

图4为图3的 A-A剖面示意图。

图5为图3的 B-B剖面示意图。

图6为图3中感应线圈结构的顶视图。

图7为实施例制备过程示意图。

图1、2、3、4、5、6中：1-铁芯，2-激励线，3-激励线引线焊盘，4-感应线圈，5-感应线圈引线焊盘，6-衬底，7-聚酰亚胺绝缘层。

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。

如附图1、2、3、4、5、6所示，本实施例中的缝纫式线芯结构微型磁通门传感器包括铁芯1、激励线2、激励线引线焊盘3、感应线圈4、感应线圈引线焊盘5、衬底6和聚酰亚胺绝缘层7。铁芯为平面矩形结构；激励线2由多条直线段首尾相连组成折线结构，如缝纫线一样，上下往复穿过铁芯平面；感应线圈4使用三维螺线管结构，垂直于矩形平面铁芯的长边缠绕在铁芯外部；激励线2和感应线圈4分别连接至衬底上的激励线引线焊盘3和感应线圈引线焊盘5；使用带有二氧化硅绝缘层的硅片作为衬底6，用以支撑整个传感器的结构；铁芯、激励线和感应线圈均由聚酰亚胺绝缘层7绝缘，并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出激励线引线焊盘3和感应线圈引线焊盘5。

激励线、感应线圈、铁芯均由磁控溅射、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7具体分步制作过程如下：

1)选用晶向为（100）厚度为 250µm 硅片作为衬底8，利用硫酸加双氧水（4:1）去除硅片上的有机污染物，然后用去离子水（DI）超声波清洗去除衬底表面杂质。

2)在硅质衬底上通过热氧化生长 300nm 厚度的 SiO₂绝缘层。

3) 采用磁控溅射溅射 100nm 厚度的 Cu 种子层。

4)利用电镀工艺，结合感应线圈下层掩膜板电镀制备感应线圈4的下层 Cu 导线，结合感应线圈引线焊盘掩膜板电镀制备感应线圈引线焊盘5。

5)通过湿法刻蚀去除 Cu 电镀种子层。

6)通过精确控制的旋涂，在感应线圈下层导线中间填充 PI（聚酰亚胺）。

7)旋涂聚酰亚胺绝缘层9，阶段升温亚胺化 PI。

8)采用精密抛光工艺，使表面平整、均匀。

9)离子束轰击 PI 表面，磁控溅射 100nm 厚度的Cu种子层。

10)利用电镀工艺，结合下层激励线掩膜板制备位于铁芯下方的下层激励线。

11) 利用电镀工艺，结合铁芯掩膜板制备铁芯1。

12) 利用电镀工艺，结合上层激励线掩膜板制备位于铁芯上方的上层激励线以及上下层激励线的连接部分。

13) 利用电镀工艺，结合激励线引线焊盘掩膜板制备激励线引线焊盘3。

14) 通过精确控制的旋涂，旋涂聚酰亚胺绝缘层7，阶段升温亚胺化 PI。

15) 采用精密抛光工艺，使表面平整、均匀，结合通孔掩膜板和焊盘掩膜板，湿法刻蚀出用于感应线圈上下层连通的通孔，并露出焊盘。

16) 利用电镀工艺，结合通孔掩膜板制备连接感应线圈上下层的线圈立柱。

17) 采用磁控溅射溅射 100nm 厚度的 Cu 种子层。

18) 利用电镀工艺，结合感应线圈上层掩膜板制备感应线圈4的上层 Cu 导线。

19)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀 PI 使感应线圈焊盘5和激励线引线焊盘3露出。

本实施例中，所述的激励线 2 和感应线圈 4 为电镀铜，感应线圈共40匝，每匝线宽为50μm，厚度为 30μm，各匝之间的间隙为50μm，激励线宽度为80μm，厚度为 30μm。

本实施例中，所述的连接感应线圈上下层的线圈立柱为电镀铜，空间形状为四棱柱体，横截面为50μm×80μm的矩形，高度为100μm。

本实施例中，所述的铁芯材料为坡莫合金材料，铁芯形状为5000μm×2500μm的矩形，厚度为30μm。

本实施例中，激励线位于铁芯下方的部分，共分16段，呈现4行4列的阵列式排列，每一段为500μm×80μm的矩形，激励线包含在铁芯中的上下连接部分为四棱柱体，横截面为80μm×30μm的矩形，高度为30μm，激励线的其余部分均位于铁芯上方。

Claims

1.一种缝纫式线芯结构的微型磁通门传感器，其特征在于：包括铁芯1、激励线2、激励线引线焊盘3、感应线圈4、感应线圈引线焊盘5、衬底6和聚酰亚胺绝缘层7；铁芯采用软磁材料，为矩形平面结构；激励线2如缝纫线一样，上下往复穿过铁芯平面；感应线圈4使用三维螺线管结构直接缠绕在矩形平面铁芯的外部；激励线2和感应线圈4分别连接至激励线引线焊盘3和感应线圈引线焊盘5；铁芯和线圈之间由聚酰亚胺作为绝缘层。

2.根据权利要求1所述的缝纫式线芯结构微型磁通门传感器，其特征在于：激励线2采用由多条直线段首尾相连组成的折线结构，上下往复穿过铁芯平面，其中露出铁芯上下表面的直线段部分，截面积尺寸一致，激励线两端连接焊盘作为引线接口，用于连接外部电路。

3.根据权利要求1所述的缝纫式线芯结构微型磁通门传感器，其特征在于：微型磁通门传感器位于Si衬底上，衬底表面有热氧化处理生成的SiO₂层。