CN111443314A - 具有凹槽结构的薄膜磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特点是在两层矩形磁性膜之间设置一矩形的螺旋线圈构成，所述的矩形的螺旋线圈整体为平面螺旋结构；所述的矩形的螺旋线圈从矩形内部某一位置处顺时针或者逆时针螺旋绕出；所述的两层矩形磁性膜的内表面均有多组与其传感方向(即待测磁场方向，通常为薄膜长度方向)垂直的矩形的凹槽，该矩形的凹槽的组数与所述的矩形的螺旋线圈的匝数相等；所述的两层矩形磁性膜的矩形凹槽相对，将所述的矩形的螺旋线圈中与传感方向垂直的导体嵌入所述的矩形磁性膜的内部。本发明有效提高了薄膜磁传感器对外磁场的灵敏度。

Description

具有凹槽结构的薄膜磁传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别是一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器。

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。平面螺旋线圈和高磁导率软磁材料制成的软磁薄膜复合，可以形成薄膜线圈结构的磁传感器。

薄膜磁传感器对外磁场的传感过程可分为两个阶段：

第一阶段为薄膜线圈中，软磁薄膜有效磁导率μ_eff对外磁场H_app的响应：

根据软磁材料的磁特性(磁化曲线)，在磁化过程中，软磁薄膜的有效磁导率μ_eff会随外磁场H_app的变化而发生改变。根据软磁薄膜的材料、形状等因素，薄膜有效磁导率μ_eff与外磁场H_app满足一定的函数关系，可简单表示为：

μ_eff＝μ_eff(H_app)

第二阶段为薄膜线圈的电感值L对软磁薄膜有效磁导率μ_eff的响应：

线圈是储能元件，其电感值可定量描述线圈对电能和磁能的转换关系。对于施加交流激励的平面线圈，线圈中的激励电流会在线圈周围激发磁场，该磁场的变化会使线圈电感值L发生变化。若无软磁薄膜覆盖，线圈中电流所激发的磁场不会随外磁场发生改变，线圈的电感值L也不会对外磁场产生传感响应。但当平面线圈与由软磁材料制成的薄膜复合时，软磁薄膜对线圈激发的磁场发生汇聚，且该汇聚效果受到软磁薄膜的有效磁导率μ_eff影响。因此，当软磁薄膜的有效磁导率μ_eff发生改变时，会使得平面线圈的电感值L随之发生变化，可表示为：

L＝L(μ_eff)

至此，可以得到外磁场H_app与线圈电感值L的传感关系：

L＝L(μ_eff)＝L(μ_eff(H_app))

外磁场H_app的变化会引起软磁薄膜有效磁导率μ_eff的改变，从而使得平面线圈的电感值L发生改变。对平面线圈施加交流激励信号，通过对其两端的输出电压信号进行测量，便可实现对外磁场H_app的测量。平面结构的元器件结构简单，制作方便，适合采用微加工工艺进行大批量生产，不仅可以极大地降低器件的成本，而且可以显著提高器件的稳定性和一致性。

平面线圈被软磁材料制成的磁性膜覆盖和线圈放入无限大磁性介质空间的情况不同，它的电感值L不是简单地和磁性材料的相对磁导率μ_r成正比例关系，而是和材料制作成薄膜后的有效磁导率μ_eff有较为复杂的函数关系。磁性膜的形状、几何尺寸(厚度、长度、宽度)及膜间间距等参数既影响着磁性膜对外磁场的敏感程度，又影响着线圈的电感值L随磁性膜有效磁导率μ_eff的变化关系，最终影响了薄膜磁传感器的灵敏度。

从磁荷的角度来看，任何特定形状的磁性材料在外磁场H_app作用下被磁化后，若介质内部无法形成闭合磁路，则磁荷会在端面上发生积累。从而在磁介质内部形成一种与外磁场H_app方向相反的附加磁场，该反向的附加磁场会对介质内部的实际磁场起削弱作用，因此也称为退磁场H_d。沿外磁场H_app方向，可以用退磁因子N_d与磁化强度M的乘积简单表示磁介质内部任一位置处的退磁场H_d大小，如(1)式所示：

H_d＝N_d·M (1)

(1)

在磁介质的磁化过程中，退磁场H_d的存在会严重降低磁介质内部的有效磁导率μ_eff，如(2)式所示：

(2)

特别地：

(3)

对于退磁因子N_d的，其大小仅取决于样品形状，与磁性材料的性质及施加的外磁场H_app大小无关。因此，根据式(3)，即使磁性材料本身的磁导率μ_r很大，当其制作成特定形状(如薄膜形状)的样品后，退磁场H_d也会使得样品的实际磁导率μ_eff的大小及变化程度受到限制，最大变化范围也仅为1/N_d。这会大大降低磁性膜对外磁场的敏感程度，进而导致传感器的灵敏度降低。退磁场H_d的大小与磁性膜的形状和结构密切相关，传统改善方法是改变磁性膜所选软磁材料的微观构成或通过改变磁性膜的尺寸(如增大长宽比、减小整体厚度等)来减小退磁场H_d的影响，但在给定软磁材料的前提下，无法对材料所选的微粒种类或各组分含量进行调整，而依靠调整薄膜的外部尺寸，虽然可以减小退磁因子N_d，提高薄膜的有效磁导率μ_eff，但这种整体尺寸上的改变会对薄膜线圈的电感值带来影响，最终影响传感器的灵敏度性能。因此，相比于改变选材或调整薄膜整体尺寸，可以有更好的方法来提升薄膜磁传感器的灵敏度，例如在薄膜内表面设计凹槽结构。

发明内容

为提高薄膜磁传感器的灵敏度，本发明提供一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器，该具有凹槽结构的薄膜磁传感器采用具有表面凹槽形貌的软磁薄膜与平面线圈复合而成，提高了薄膜磁传感器的电感值随外磁场的变化率，可提高薄膜磁传感器的灵敏度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特点是在两层矩形磁性膜之间设置一矩形的螺旋线圈构成，所述的矩形的螺旋线圈整体为平面螺旋结构；所述的矩形的螺旋线圈从矩形内部某一位置处顺时针或者逆时针螺旋绕出；所述的两层矩形磁性膜的内表面均有若干条与其传感方向(即待测磁场方向，通常为薄膜长度方向)垂直的矩形凹槽，该矩形凹槽的组数与所述的矩形的螺旋线圈的匝数相等；所述的两层矩形磁性膜的矩形凹槽相对，将所述的矩形的螺旋线圈中与传感方向垂直的导体嵌入所述的矩形磁性膜的内部。

所述的矩形磁性膜通常选取矩形的长边方向为传感器的敏感方向，所述矩形磁性膜沿其矩形长边方向的长度大于或者等于短边方向的长度的2倍，通常为3倍。

所述的矩形磁性膜由软磁材料加工而成。

所述的矩形的螺旋线圈通过溅射、镀膜、印刷或3D打印的方式制作。

相比现有技术,本发明具有如下有益效果：

本发明采用矩形螺旋线圈和两层内表面带有矩形凹槽的磁性膜复合，即用磁性膜内表面的凹槽上下覆盖矩形螺旋线圈与待测磁场方向垂直的导体，构成一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器，相比于无凹槽结构的薄膜磁传感器，本发明可改善薄膜磁传感器传感关系的两个阶段，从而提高薄膜磁传感器的灵敏度。

在传感关系第一阶段，磁性膜对外磁场的敏感程度受退磁场H_d，使得磁性膜的最大有效磁导率被退磁因子N_d限制为1/H_d。退磁因子N_d大小仅与磁性材料的形状和尺寸有关。对于长度、宽度均固定的磁性材料，其内部的退磁因子N_d与磁性材料的厚度成正比。因此，在磁性膜的表面加工出凹槽3可使得槽底位置处的薄膜厚度减小，如果凹槽处厚度与磁性膜本身厚度的比值为1/k，那么磁性膜在凹槽的槽底处的有效磁导率便提升了近k倍。同时，凹槽的槽壁在被外磁场H磁化时会产生杂散磁场H_s，由于软磁薄膜的磁导率要远大于外界真空环境的磁导率，因此从凹槽的槽壁产生的杂散磁场H_s并不会流出薄膜，而是会穿过凹槽的槽底而重新流回至磁性膜的内部。由于该杂散磁场H_s沿磁化方向(即待测磁场方向)上的分量与待测磁场及磁性膜2内部的有效磁场方向一致，所以表现为对磁性膜内部有效磁场的进一步增强。退磁效应的改善提高了磁性膜2的有效磁导率，同时使得磁性膜在外磁场作用下更快被磁化至饱和，即提高了磁性膜对外磁场的敏感程度，改善了薄膜磁传感器传感关系中的第一阶段。

在传感关系第二阶段，磁性膜对线圈中激励电流激发的磁场的汇聚效果决定了具有凹槽结构的薄膜磁传感器的电感值大小。在薄膜磁传感器中所述的线圈在对应磁性膜的位置处设计凹槽，将线圈沿与待测磁场方向垂直的导体通过凹槽嵌入到磁性膜中，可将线圈激发的磁通更多地汇聚在磁性膜内，同时减少了磁场在两层磁性膜的间隙处的泄露，可提高薄膜磁传感器的电感值，并使得电感值的随磁性膜2有效磁导率的变化更加明显。

综上所述，采用具有凹槽结构的薄膜磁传感器可同时改善传感关系的两个阶段，提高了磁性膜对外磁场的敏感程度及线圈1的电感值对磁性膜2有效磁导率的敏感程度，从而提高了薄膜磁传感器的电感值随外磁场的变化率，实现灵敏度的增强。

附图说明

图1为本发明带凹槽磁性膜结构的主视示意图；

图2为本发明带凹槽磁性膜结构的俯视示意图；

图3为示意图；

图4为带凹槽磁性膜上下覆盖导体的结构俯视示意图；

图5为带凹槽磁性膜上下覆盖导体的结构剖视示意图；

图6为凹槽槽壁产生杂散磁场流入槽底对磁性膜内部磁场增强效果示意图；

图7为有/无凹槽结构的薄膜磁传感器灵敏度曲线对比图；

图8为退磁因子随磁性膜尺寸的变化关系曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

先请参阅图1、图2，图1为本发明带凹槽磁性膜结构的主视示意图，图2为本发明带凹槽磁性膜结构的俯视示意图，由图可见,本发明具有凹槽结构的薄膜磁传感器，是在两层矩形磁性膜2之间设置一矩形的螺旋线圈1构成，所述的矩形的螺旋线圈1整体为平面螺旋结构；所述的矩形的螺旋线圈1从矩形内部某一位置处顺时针或者逆时针螺旋绕出；所述的两层矩形磁性膜2的内表面均有若干条与其传感方向(即待测磁场方向，通常为薄膜长度方向)垂直的矩形凹槽3，该矩形凹槽3的组数与所述的矩形的螺旋线圈1的匝数相等；所述的两层矩形磁性膜2的矩形凹槽3相对，将所述的矩形的螺旋线圈1中与传感方向垂直的导体嵌入所述的矩形磁性膜2的内部。

所述的矩形磁性膜2通常选取矩形的长边方向为传感器的敏感方向，所述矩形磁性膜2沿其矩形长边方向的长度大于或者等于短边方向的长度的2倍，通常为3倍。

所述的矩形磁性膜2由软磁材料加工而成。

所述矩形的螺旋线圈1通过溅射、镀膜、印刷或3D打印的方式制作。

实施例

如图3为的矩形螺旋线圈的结构示意图；

矩形的螺旋线圈1整体为矩形平面螺旋结构，两垂直方向的导线均由一条导体组成，每条导体的宽度为d；

矩形的螺旋线圈1的拐角处由平行于所述磁性膜2长边方向的一条导体1-2和短边方向的一条导体1-1垂直连接。

构成矩形的螺旋线圈1的导体分成两部分：平行于所述磁性膜2短边方向的导体1-1和长边方向的导体1-2。若待测磁场沿磁性膜2长边方向施加，则线圈1上垂直于待测磁场方向的导体1-1可以引起磁性膜2长边方向的传感响应，使得线圈1的电感值随待测磁场发生变化，进而实现磁场传感。

如图4、5为磁性膜上下覆盖导体的结构示意图；

带凹槽3的磁性膜2整体为矩形薄片结构，长度、宽度、厚度分别为W_m、l、t_m1，两层磁性膜2的内表面均有宽度为W_c、长度为l、槽底厚度为t_m2的矩形凹槽3，凹槽3的组数与矩形的螺旋线圈1的匝数相等，并将线圈1沿与待测磁场方向垂直的导体嵌入覆盖。

如图4、5中，为了抑制退磁效应并保证磁传感器输出，选择所述磁性膜2的长度方向作为敏感方向，同时使得磁性膜2的长度尺寸大于宽度尺寸的2倍以上(通常为3倍)。进一步的，与待测磁场方向垂直的凹槽3，可通过减小磁性膜2的局部厚度并产生杂散磁场的方法提高磁性膜2对外磁场的敏感程度，并通过增强磁性膜2对线圈1激发磁通的汇聚作用来提高线圈1的电感值，从而有效提高了传感器的灵敏度。

如图6为凹槽3产生杂散磁场对磁性膜2内部磁场的增强效果。凹槽的槽壁在外磁场作用下被磁化而产生的杂散磁场被凹槽汇聚至槽底。因为软磁薄膜的磁导率要远大于外界真空环境的磁导率，因此从内槽壁流出的杂散磁通并不会流出薄膜，而是会穿过槽底而重新流回至薄膜内部。杂散磁场沿水平方向上的分量是与外加磁场H_app方向以及样品内部有效磁场H_eff方向是一致的，因此对薄膜内部的有效磁场H_eff起到增强作用。

如图7为有/无凹槽下的薄膜磁传感器灵敏度曲线测试对比图；

曲线横坐标表示外磁场强度，纵坐标表示薄膜磁传感器中线圈1表现出的电感值大小，整条曲线反映了磁传感器的电感值随待测磁场的变化情况，曲线的斜率表示电感值随待测磁场的变化率，斜率越大则说明磁传感器的灵敏度越高。对比可知，通过在磁性膜2内表面设置凹槽3将线圈1嵌入的方式，可以明显提高薄膜磁传感器的灵敏度。

如图8为退磁因子随磁性膜尺寸的变化关系曲线图；

由图可知，长宽比越大的磁性膜2，其受到退磁场的影响越小。对于长宽比确定的磁性膜2，其内部的退磁因子大小与磁性膜2的厚度成正比例关系，即越薄的磁性膜受退磁场影响越小。因此可通过设置凹槽3减小磁性膜2局部厚度来减小退磁场，从而达到提高磁性膜2有效磁导率的目的。

该具有凹槽结构的薄膜磁传感器可通过磁控溅射微加工的方法实施。

制作光刻掩膜板，尺寸依矩形的螺旋线圈1、磁性膜2、凹槽3而定；

对基片进行清洗和烘干；

用软磁材料进行溅射，制备磁性膜2中的底层磁性薄膜；

在上述底层薄膜上旋涂一层光刻胶，并烘干；

利用定制的光刻掩膜板在光刻机中对上述基底进行光刻、并显影，得到凹槽3结构；

用氮化硼对上述基底进行溅射，作为线圈与底层磁性膜之间的绝缘层；

用铜在上述基底上进行矩形的螺旋线圈2的溅射；

将上述基底浸入丙酮溶液，进行去胶操作；

用氮化硼对上述基底进行溅射，作为线圈与顶层磁性膜之间的绝缘层；

用软磁材料对上述基底进行溅射，制备磁性膜2中的顶层磁性薄膜，得到最终的具有凹槽结构的薄膜磁传感器。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特征是在两层矩形磁性膜(2)之间设置一矩形的螺旋线圈(1)构成，所述的矩形的螺旋线圈(1)整体为平面螺旋结构；所述的矩形的螺旋线圈(1)从矩形内部某一位置处顺时针或者逆时针螺旋绕出；所述的两层矩形磁性膜(2)的内表面均有多组与其传感方向(即待测磁场方向，通常为薄膜长度方向)垂直的矩形的凹槽(3)，该矩形凹槽(3)的组数与所述的矩形的螺旋线圈(1)的匝数相等；所述的两层矩形磁性膜(2)的矩形凹槽(3)相对，将所述的矩形的螺旋线圈(1)中与传感方向垂直的导体嵌入所述的矩形磁性膜(2)的内部。

2.根据权利要求1所述的具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特征在于所述的矩形磁性膜(2)通常选取矩形的长边方向为传感器的敏感方向，所述的矩形磁性膜(2)沿其矩形长边方向的长度大于或者等于短边方向的长度的2倍，通常为3倍。

3.根据权利要求1所述的具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特征在于所述的矩形磁性膜(2)由软磁材料加工而成。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特征在于所述矩形的螺旋线圈(1)通过溅射、镀膜、印刷或3D打印的方式制作。

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