CN113253162B - 一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，包括玻璃衬底、平面微机电系统磁通门传感器件阵列和硅支撑片；该传感器件阵列含有五个磁通门传感单元，分别位于十字形结构的四个顶点和中心点位置，每个单元由垂直正交的两个单轴磁通门传感器件组成；该传感器件阵列中的同轴同向单轴磁通门传感器件相对中心点呈平行对称分布，相邻的同轴同向单轴磁通门传感器件间距相等；该传感器件阵列通过硅‑玻璃键合固定至硅支撑片上下表面，位于上下平面的各磁通门传感单元在垂直方向上一一平行重合对应。本发明可以有效实现地磁场张量测量，极大缩小了磁通门张量仪体积，大幅提升了磁通门张量仪的测量精度，有力促进了地磁场张量测量技术广泛实际应用。

Description

一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片。
背景技术
磁梯度张量为磁矢量在不同方向的变化率，由于磁梯度张量抗干扰能力强，且对于磁源体形态特征具有更高的分辨率和精度，因此可以较为直观地显示待测磁体的空间几何信息。由于磁梯度张量可以反应周围物体的梯度，因此具有十分广泛的应用前景。在地质勘探、未爆物定位、内窥镜医疗与残障人士避障导航等方面均有优秀的适用性。磁通门传感器是基于简单的变压器效应的矢量磁场传感器，具有更好的实用性与更为宽泛的使用范围，可以很好满足磁场张量的探测。因此价格低廉、运动噪声较小且结构简单的磁通门传感器不仅可以完成绝大部分磁探测任务且具有更高的商业价值。磁通门传感器也被广泛用于诸如地质勘探、未爆物定位、智慧医疗以及导航避障等应用之中。
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。传统磁通门传感器的尺寸较大、灵敏度低以及长期稳定性差等缺陷很大程度上限制了其实际应用。
微机电系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)技术是一种基于微电子技术的多学科交叉的全新研究领域。基于MEMS技术的产品拥有体积小、重量轻、成本低与可批量生产等诸多优点。同时更小的特征尺寸也使传感器设备更容易集成，实现一些传统磁通门传感器无法实现的功能。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的热点之一。
经对现有技术的文献检索发现，Koch R.H.等(Koch R.H.,Keefe G.A.,Allen G.)在《科学仪器评审》(Review of Scientific Instruments,Vol.67(1),pp 230-235,1996)上发表了“Room temperature three sensor magnetic field gradiometer”(常温三传感器磁场梯度仪)一文。该文中写到，探头包括四个磁通门，其中三个磁通门带有反馈线圈，最后一个磁通门没有反馈线圈，将其作为参考磁通门，利用参考磁通门获得的磁场值进行电压电流转换，将转化后的电流作用在三个反馈线圈上形成反馈，最后通过带反馈线圈的磁通门获得磁梯度张量分量。这套系统测量的张量分量动态噪声水平可以达到0.14nT/m·Hz1/2@1Hz。由于其尺寸较大且不易挪动。与MEMS技术相比，据此制造的磁通门传感器便携性很差，因此实用性较差。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片。
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基于MEMS制造工艺制作性能优秀且稳定性强的平面微机电系统磁通门传感器件阵列。
为实现上述目的，本发明提供了一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，包括玻璃衬底、平面微机电系统磁通门传感器件阵列和硅支撑片；所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列位于所述玻璃衬底上，所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列为十字形结构，含有五个磁通门传感单元，分别位于所述十字形结构的四个顶点和中心点位置，每个所述磁通门传感单元由垂直正交的两个单轴磁通门传感器件组成；所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列中的同轴同向单轴磁通门传感器件相对所述中心点呈平行对称分布，相邻的所述同轴同向单轴磁通门传感器件间距相等；所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列通过硅-玻璃键合固定至所述硅支撑片上下表面，位于所述上下平面的所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列的各磁通门传感单元在垂直方向上一一平行重合对应。
进一步地，所述各磁通门传感单元在所述玻璃衬底上同步集成制造。
进一步地，所述单轴磁通门传感器件包括三维螺线管式激励线圈、检测线圈和位于所述检测线圈内的磁芯。
进一步地，所述单轴磁通门传感器件长度为0.6至1.5厘米，宽度为0.3至0.7厘米。
进一步地，所述单轴磁通门传感器件和所述玻璃衬底的整体厚度为0.3至0.7毫米。
进一步地，所述相邻的所述同轴同向单轴磁通门传感器件的间距等于所述单轴磁通门传感器件长度的1.2至3倍。
进一步地，还包括键合定位对准符号，所述键合定位对准符号被配置成在所述硅-玻璃键合过程中对所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列和所述硅支撑片进行精确定位。
进一步地，所述键合定位对准符号采用微电铸工艺制备。
进一步地，所述键合定位对准符号的材料为电铸铜。
进一步地，所述键合定位对准符号采用数控精密机械加工制备。
本发明的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片与现有技术相比，具有以下有益的效果：
(1)本发明采用硅-玻璃键合技术在硅支撑片上键合固定多个微机电系统磁通门传感器件阵列构建微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，与传统磁通门张量仪使用三轴磁通门传感器加骨架支撑的结构相比，提高了磁通门张量仪的集成度，极大减小了张量仪的体积，降低了磁通门张量仪的自身转向误差与安装误差，而且改善了磁通门张量仪的测量精度，可以很好满足小尺寸无人载具平台的搭载要求。
(2)本发明采用硅-玻璃键合技术在硅支撑片上键合固定多个微机电系统单轴磁通门传感器件构建微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，微机电系统磁通门地磁张量传感芯片的尺寸可随着使用的微机电系统单轴磁通门传感芯片尺寸的缩小而减小，从而可满足更多便携式、微型化应用领域的应用需求，如手机、无人机、微纳卫星等。
(3)本发明采用微机电系统单轴磁通门传感器件作为微机电系统磁通门地磁张量传感芯片的矢量磁探测单元，微机电系统单轴磁通门传感器芯片采用MEMS技术制造，与传统磁通门张量仪相比稳定性好，一致性高，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响，可有效减小微机电系统磁通门地磁张量传感芯片的刻度因子误差，增强了微机电系统磁通门地磁张量传感芯片的性能。
(4)本发明采用特有的平面磁张量分量测量方式，不同于传统三轴磁通门传感器测量张量矩阵“下三角”元素(Bxx、Byx、Byy、Bzx与Bzy)，而是对张量矩阵的“上三角”元素(Bxx、Bxy、Bxz、Byy与Byz)，同时结合张量矩阵具有对称性且旋度为零得到完整的张量矩阵，在地磁场张量测量原理方面具有创新优势。
(5)本发明采用单轴磁通门传感器件作为微机电系统磁通门地磁张量传感芯片的矢量磁探测单元，其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，例如潜艇、轮船及其他大型海洋船只的定位，为残障人士提供避障导航，对HDTV的地磁补偿和点噪声补偿，甚至可在医疗中提供磁控胶囊胃镜功能等。
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微机电系统磁通门地磁张量传感芯片结构图；
图2是本发明的一个较佳实施例的单轴磁通门传感器件的结构示意图。
其中，1-硅支撑片，2-第一单轴磁通门传感器件，3-第二单轴磁通门传感器件，4-玻璃衬底，5-激励线圈，6-磁芯，7-检测线圈，8-电极。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1，本实施例提供了一种基于硅-玻璃键合的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，包括立方体硅支撑片1、测量x轴方向磁张量分量的第一单轴磁通门传感器件2、测量y轴方向磁张量分量的第二单轴磁通门传感器件3。第一单轴磁通门传感器件2、第二单轴磁通门传感器件3具有玻璃衬底4。
本实施例中，每个第一单轴磁通门传感器件2和相对应的第二单轴磁通门传感器件3构成一个微机电系统单轴磁通门传感单元。各磁通门传感单元在玻璃衬底4上同步集成制造。本实施例中，第一单轴磁通门传感器件2、第二单轴磁通门传感器件3各为十个，共构成十个微机电系统单轴磁通门传感单元，形成两个平面微机电系统单轴磁通门传感器件阵列。
二十个1cm×0.5cm×0.5mm的微机电系统单轴磁通门传感器件分别安装于4.5cm×4.5cm×3cm硅支撑片1的上下表面处，通过硅-玻璃键合技术将芯片玻璃衬底粘接到硅支撑片表面实现芯片的精确定位固定(其中厚度为单轴磁通门传感器件和玻璃衬底的整体厚度)。每个第一单轴磁通门传感器件2、第二单轴磁通门传感器件3分别与其相对应位置的单轴磁通门传感器件在空间上呈平行对称之势。相邻的同轴同向的单轴磁通门传感器件的基线距离为1.5cm，上下平面阵列中的对应单轴磁通门传感器件间距约为3cm。
第一单轴磁通门传感器件2、第二单轴磁通门传感器件3分别对x轴、y轴方向的张量分量进行测量。
如图2所示，第一单轴磁通门传感器件2、第二单轴磁通门传感器件3中的每个由玻璃衬底4、激励线圈5、磁芯6、检测线圈7、电极8构成。
芯片测量时，向每个微机电系统单轴磁通门传感器件的激励线圈5通一正弦交流电使磁芯6处于饱和状态。没有外部磁场时，由于差分效应，检测线圈7没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，检测线圈7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。各单轴磁通门传感器件分别输出沿磁敏感轴相关的磁场x、y分量值，对各个轴向磁场x、y分量值进行差分计算可得到地磁场张量的各分量值。
本实施例所提供的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片上的平面阵列可对张量Bxx，Bxy，Byy进行测量，由于芯片具有双层结构，可通过公式对上下层得到的张量数据进行处理得到磁场分量Bxz与Byz。再根据磁张量矩阵具有对称性，且磁场强度B的旋度与散度均为零，可测得磁梯度张量矩阵。该测量方法与传统磁通门传感器测量张量Bxx，Byy，Byx，Bzx，Bzy的方法有所不同。
在一些实施例中，还包括键合定位对准符号，键合定位对准符号采用微电铸工艺制备，材料为电铸铜，采用数控精密机械加工制备。在硅-玻璃键合过程中依靠平面微机电系统磁通门传感器件阵列和硅支撑片二者对应的键合定位对准符号进行精确定位。
本实施例所示的基于硅-玻璃键合的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其为基于MEMS技术的低噪声微型磁通门传感器件，能精确检测磁场。
本实施例采用具有玻璃衬底的微机电系统单轴磁通门传感器件，通过硅-玻璃键合技术将十个微机电系统单轴磁通门传感单元呈对称之势安装于硅支撑片的上下表面的玻璃衬底，且上下两层的单轴磁通门传感单元在空间上一一平行对齐，形成微型磁通门传感器，传感器具有易于体积小、重量轻、耗能低、谐振频率高和响应时间短等优点。其中，利用基于标准MEMS制造工艺流程批量生产的微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁感应单元，通过MEMS工艺将信号输入部分和整体处理电路同时集成于芯片上，有效降低功耗并减小噪声水平；采用特定尺度的硅支撑片，以及硅-玻璃精密对准键合，极大减小了传统磁通门传感器制备过程中产生的安装误差与自身转向误差；有效解决了现有三轴磁通门传感器体积大、便携性差、安装复杂，测量精度与系统集成度较低，适用性差且应用范围有限的问题，提高了探测精度，降低了三轴磁通门传感器的误差和能耗，扩展了其具体应用范围。
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 (9)

1.一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，包括两个玻璃衬底、两个平面微机电系统磁通门传感器件阵列和一个硅支撑片；所述两个平面微机电系统磁通门传感器件阵列分别同步集成制造于各所述玻璃衬底上，每个所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列为十字形结构，含有五个磁通门传感单元，分别位于所述十字形结构的四个顶点和中心点位置，每个所述磁通门传感单元由垂直正交的x，y方向的两个单轴磁通门传感器件组成，分别用于测量所在位置的x，y方向的磁场分量Bx和By；每个所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列中的同轴同向单轴磁通门传感器件相对所述中心点呈平行对称分布，相邻的所述同轴同向单轴磁通门传感器件间距相等，使得通过各对称分布的所述同轴同向单轴磁通门传感器件所测磁场分量之间的差分获得磁梯度张量分量Bxx，Bxy和Byy，其中，Bxx表示Bx在x方向的变化率，Bxy表示Bx在y方向的变化率，Byy表示By在y方向的变化率；所述两个平面微机电系统磁通门传感器件阵列分别通过硅-玻璃键合固定至所述硅支撑片上下表面，位于所述上下表面的所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列的各磁通门传感单元在垂直的z方向上一一平行重合对应，使得通过在垂直的z方向上平行重合对应的磁通门传感单元所测磁场分量之间的差分获得磁梯度张量分量Bxz和Byz，其中，Bxz表示Bx在z方向的变化率，Byz表示By在z方向的变化率。
2.如权利要求1所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述单轴磁通门传感器件包括三维螺线管式激励线圈、检测线圈和位于所述检测线圈内的磁芯。
3.如权利要求1所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述单轴磁通门传感器件长度为0.6至1.5厘米，宽度为0.3至0.7厘米。
4.如权利要求1所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述单轴磁通门传感器件和所述玻璃衬底的整体厚度为0.3至0.7毫米。
5.如权利要求1所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述相邻的所述同轴同向单轴磁通门传感器件的间距等于所述单轴磁通门传感器件长度的1.2至3倍。
6.如权利要求1所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，还包括键合定位对准符号，所述键合定位对准符号被配置成在所述硅-玻璃键合过程中对所述平面微机电系统磁通门传感器件阵列和所述硅支撑片进行精确定位。
7.如权利要求6所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述键合定位对准符号采用微电铸工艺制备。
8.如权利要求7所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述键合定位对准符号的材料为电铸铜。
9.如权利要求6所述的微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，其特征在于，所述键合定位对准符号采用数控精密机械加工制备。
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