CN110780243A - 用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元、含有该传感单元的传感器及传感单元的制备方法 - Google Patents

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Abstract

用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元、含有该传感单元的传感器及传感单元的制备方法，涉及磁场探测领域。本发明是为了弥补国内外缺乏适用于水下航行器使用的微型磁传感器的空白。本发明所述的高灵敏度微型磁传感单元采用MEMS工艺制备，能够有效减少传感器的重量和体积；以单晶硅为衬底制作微型磁传感器，能够将误差控制在10μm以内，远高于常规的机械加工，使微型磁传感器在加工制造过程中具有良好的一致性。本发明可应用于磁目标探测和磁场探伤等领域，为水下航行器提供高精度的导航和定位信息。

Description

用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元、含有该传感单元 的传感器及传感单元的制备方法
技术领域
本发明属于磁场探测领域，尤其涉及磁传感器。
背景技术
导航问题是发展水下导航技术及自主水下航行器AUV的关键所在。目前，惯性导航系统是最广泛地应用于水下导航领域的一种技术，但其存在定位误差随时间累积的问题。卫星导航系统技术也存在无线信号水中快速衰减的问题。因此，利用地球磁场的导航方法引起了国内外研究机构和学者的广泛关注。
地磁导航技术具有无源隐蔽、全天候、全地域等特点，可以为水下航行器提供高精度的导航和定位信息。高灵敏度的磁传感器是地磁导航技术的基础。近年来，随着新技术的引人大大简化了磁场传感器的结构，国外的磁导航技术已完成从早期的体积庞大的大型结构向着多单元参数同步检测、集成化、高带宽的实用化技术方向发展过程。然而，目前国内外的研究方向主要集中在仿生磁导航方法的研究方面，缺乏适用于水下航行器使用的高灵敏度微型磁传感器。
发明内容
本发明是为了弥补国内外缺乏适用于水下航行器使用的微型磁传感器的空白，现提供用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元、含有该传感单元的传感器及传感单元的制备方法。
用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，包括在硅基片表面由下至上依次层叠设置的偏置磁场带层3、置位/复位电流带层4、四端惠斯通桥式磁阻层5和引线层6、且相邻的两层之间通过二氧化硅层进行电气绝缘。
上述偏置磁场带层3包括两个并列设置的电阻绕线，每个电阻绕线盘旋设置、使其呈矩形螺旋结构，两个电阻绕线中位于外圈的线端相连。电阻绕线的材料为铝，线宽为10μm，厚度为1μm，两个电阻绕线的总长度为3.1×104μm。
上述置位/复位电流带层4为盘旋设置的线圈、且呈矩形螺旋结构。偏置磁场带层3和置位/复位电流带层4均为长方形结构、且二者的长边相互垂直。置位/复位电流带层4的线圈材料为铝，宽度为15μm，厚度为1μm，线圈的长度为1.4×104μm。
上述四端惠斯通桥式磁阻层5包括镜像对称设置的两组磁阻，每组磁阻包括两个呈矩形方波结构的薄膜磁阻条，两个薄膜磁阻条镜像对称设置，且相邻的两端相互连接。薄膜磁阻条的材质为坡莫合金，宽度为1.6μm，厚度为0.8μm，总长度为1430μm。
含有上述用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元的传感器，包括管壳1和磁场传感单元2，磁场传感单元2位于内部，所述管壳1为陶瓷材质，磁场传感单元2粘贴在管壳1内，磁场传感单元2的引脚通过压焊工艺与管壳1的引脚相连。
上述用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：
采用热蒸发工艺在单晶硅基片上制备金属层，通过光刻工艺和湿法腐蚀工艺制备出两个并列设置、且外端相连的矩形螺旋电阻绕线结构，获得偏置磁场带层3；
步骤二：
在偏置磁场带层3上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上蒸镀金属层，通过光刻工艺和湿法腐蚀工艺制备出矩形螺旋结构，获得置位/复位电流带层4；
步骤三：
在置位/复位电流带层4上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上沉积坡莫合金薄膜，通过光刻工艺和刻蚀工艺制备四端惠斯通桥式磁阻层5；
步骤四：
在四端惠斯通桥式磁阻层5上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；使用光刻和湿法腐蚀工艺在二氧化硅层上制作引线孔，然后在其上蒸镀引线金属层，之后使用光刻和湿法腐蚀工艺制备出引线获得引线层6。
本发明提供用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元、含有该传感单元的传感器及传感单元的制备方法，能够提升水下航行器的自主导航能力、隐蔽性和抗干扰性。
本发明所述的高灵敏度微型磁传感单元采用MEMS工艺制备，能够有效减少传感器的重量和体积；同时，以单晶硅为衬底制作微型磁传感器，能够将误差控制在10μm以内，远高于常规的机械加工，使微型磁传感器在加工制造过程中具有良好的一致性，有效降低磁传感器的生产成本。
本发明所述的高灵敏度微型磁传感单元及传感器是用于水下导航系统急需的关键器件，可应用于磁目标探测和磁场探伤等领域，为水下航行器提供高精度的导航和定位信息。
附图说明
图1为本发明所述一种用于水下导航的高灵敏度微型磁传感器的俯视图；
图2为图1中的A-A向剖视图；
图3为偏置磁场带层的结构示意图；
图4为置位/复位电流带层设置在图3所示偏置磁场带层上的示意图；
图5为四端惠斯通桥式磁阻层设置在图4所示置位/复位电流带层上的示意图；
图6为引线层设置在图5所示四端惠斯通桥式磁阻层上的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，包括在硅基片表面由下至上依次层叠设置的偏置磁场带层3、置位/复位电流带层4、四端惠斯通桥式磁阻层5和引线层6、且相邻的两层之间通过二氧化硅层进行电气绝缘。
偏置磁场带层3包括两个并列设置的电阻绕线，每个电阻绕线盘旋设置、使其呈矩形螺旋结构，两个电阻绕线中位于外圈的线端相连。电阻绕线的材料为铝，线宽为10μm，厚度为1μm，两个电阻绕线的总长度为3.1×104μm。
具体的，本实施方式应用MEMS工艺在单晶硅衬底上制作铝材质的平面电阻绕线，其主要作用是当四端惠斯通桥式磁阻层5在外部磁场作用下磁化时，对其施加一个反向的磁场，将四端惠斯通桥式磁阻层5退磁化。
置位/复位电流带层4为盘旋设置的线圈、且呈矩形螺旋结构。偏置磁场带层3和置位/复位电流带层4均为长方形结构、且二者的长边相互垂直。置位/复位电流带层4的线圈材料为铝，宽度为15μm，厚度为1μm，线圈的长度为1.4×104μm。
具体的，置位/复位电流带层4主要作用是减小磁传感单元受到地磁场以外的强磁场(>10Gauss)对输出信号的影响和干扰，提高信号的输出，同时抵消磁滞效应对所述磁场传感单元的影响。
四端惠斯通桥式磁阻层5包括镜像对称设置的两组磁阻，每组磁阻包括两个呈矩形方波结构的薄膜磁阻条，两个薄膜磁阻条镜像对称设置，且相邻的两端相互连接。薄膜磁阻条的材质为坡莫合金，宽度为1.6μm，厚度为0.8μm，总长度为1430μm。
具体的，四端惠斯通桥式磁阻层5不仅能够提供足够长的磁阻条，而且占用面积小，有利于磁传感单元的集成化和微型化。
引线层6表面沉积有二氧化硅保护层，保护层上刻蚀有压焊区域，以便后续通过压焊工艺与外部连接的管壳1上的引脚相连。引线层6的材料是金属铝或铜，作用是引出所述磁场传感单元的输出信号。
具体实施方式二：本实施方式是含有具体实施方式一所述的一种用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元的传感器，本实施方式包括管壳1和磁场传感单元2，磁场传感单元2位于内部，所述管壳1为陶瓷材质，磁场传感单元2粘贴在管壳1内，磁场传感单元2的引脚通过压焊工艺与管壳1的引脚相连。
具体实施方式三：本实施方式是具体实施方式一所述的一种用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元的制备方法，本实施方式包括以下步骤：
步骤一：
采用热蒸发工艺在[1 0 0]晶向的单晶硅基片上制备厚度为1μm的铝层；通过光刻工艺在金属层上绘制两个并列设置的矩形螺旋结构，且两个矩形螺旋结构中位于外圈的端相连，所述光刻过程中光刻胶绘制的线条宽度为10μm，长度为3.1×104μm，厚度为2μm；将带有光刻胶的单晶硅基片置于80℃的磷酸中腐蚀1min～2min，去除光刻胶，获得偏置磁场带层3。
步骤二：
在偏置磁场带层3上利用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压力化学气相沉积法)工艺沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上蒸镀厚度为1μm的铝薄膜层，通过光刻工艺在金属层上绘制长度为1.4×104μm矩形螺旋结构，且光刻过程中光刻胶绘制的线条宽度为10μm、厚度为2μm；将带有光刻胶的单晶硅基片置于80℃的磷酸中腐蚀1min～2min，去除光刻胶，获得置位/复位电流带层4。
步骤三：
在置位/复位电流带层4上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上沉积厚度为0.8μm的坡莫合金薄膜，通过光刻工艺和刻蚀工艺制备四端惠斯通桥式磁阻层5；作为高灵敏度微型磁传感单元的关键组成部分，在制备四端惠斯通桥式磁阻层5的过程中，必须严格保证四个磁阻条阻值的一致性和磁阻条图形的清晰完整。
步骤四：
在四端惠斯通桥式磁阻层5上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；使用光刻和湿法腐蚀工艺在二氧化硅层上制作引线孔，如图6所示标注的a、b、c、d、e、f、g、h点，然后在其上蒸镀引线金属层，之后使用光刻和湿法腐蚀工艺制备出引线获得引线层6。
步骤五：在引线层6表面利用LPCVD工艺沉积二氧化硅保护层，并利用光刻刻蚀出压焊区域，完成高灵敏度微型磁传感单元的制备。

Claims (10)

1.用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，包括在硅基片表面由下至上依次层叠设置的偏置磁场带层(3)、置位/复位电流带层(4)、四端惠斯通桥式磁阻层(5)和引线层(6)、且相邻的两层之间通过二氧化硅层进行电气绝缘。
2.根据权利要求1所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，偏置磁场带层(3)包括两个并列设置的电阻绕线，每个电阻绕线盘旋设置、使其呈矩形螺旋结构，两个电阻绕线中位于外圈的线端相连。
3.根据权利要求2所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，电阻绕线的材料为铝，线宽为10μm，厚度为1μm，两个电阻绕线的总长度为3.1×104μm。
4.根据权利要求2所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，置位/复位电流带层(4)为盘旋设置的线圈、且呈矩形螺旋结构。
5.根据权利要求4所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，偏置磁场带层(3)和置位/复位电流带层(4)均为长方形结构、且二者的长边相互垂直。
6.根据权利要求4所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，置位/复位电流带层(4)的线圈材料为铝，宽度为15μm，厚度为1μm，线圈的长度为1.4×104μm。
7.根据权利要求1所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，四端惠斯通桥式磁阻层(5)包括镜像对称设置的两组磁阻，每组磁阻包括两个呈矩形方波结构的薄膜磁阻条，两个薄膜磁阻条镜像对称设置，且相邻的两端相互连接。
8.根据权利要求7所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元，其特征在于，薄膜磁阻条的材质为坡莫合金，宽度为1.6μm，厚度为0.8μm，总长度为1430μm。
9.含有1至8任一权利要求所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元的传感器，其特征在于，包括管壳(1)和磁场传感单元(2)，磁场传感单元(2)位于内部，所述管壳(1)为陶瓷材质，磁场传感单元(2)粘贴在管壳(1)内，磁场传感单元(2)的引脚通过压焊工艺与管壳(1)的引脚相连。
10.权利要求1所述的用于水下导航的高灵敏度微型磁传感单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：
采用热蒸发工艺在单晶硅基片上制备金属层，通过光刻工艺和湿法腐蚀工艺制备出两个并列设置、且外端相连的矩形螺旋电阻绕线结构，获得偏置磁场带层(3)；
步骤二：
在偏置磁场带层(3)上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上蒸镀金属层，通过光刻工艺和湿法腐蚀工艺制备出矩形螺旋结构，获得置位/复位电流带层(4)；
步骤三：
在置位/复位电流带层(4)上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；在二氧化硅层上沉积坡莫合金薄膜，通过光刻工艺和刻蚀工艺制备四端惠斯通桥式磁阻层(5)；
步骤四：
在四端惠斯通桥式磁阻层(5)上利用LPCVD工艺沉积二氧化硅层；使用光刻和湿法腐蚀工艺在二氧化硅层上制作引线孔，然后在其上蒸镀引线金属层，之后使用光刻和湿法腐蚀工艺制备出引线获得引线层(6)。
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