CN204359918U - 一种微型化双环形磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

一种微型化双环形磁通门传感器，包括：衬底、激励线圈、感应线圈、软磁磁芯、焊盘引脚、光刻胶保护膜，环形磁芯的三条边分别绕制三组相互独立的三维螺线管激励线圈，一共六组激励线圈，在两个环形磁芯相邻且平行的两条边上绕制一组三维螺线管感应线圈，激励线圈和感应线圈均通过光刻胶保护膜与磁芯绝缘隔离，激励线圈和感应线圈均位于衬底上，激励线圈和感应线圈两端都连接焊盘引脚。本实用新型解决了传统磁通门传感器制造稳定性低、重复性差的问题。同时，也解决了微型化磁通门传感器激励线圈匝数少的问题，在有限的范围内，增大了感应线圈的横截面积，提高了微型磁通门传感器性能，全尺寸小于7mm×7mm，制造工艺同时兼容大规模集成电路工艺，可以和接口电路集成制造，在许多新的领域具有广泛的应用前景。

Description

一种微型化双环形磁通门传感器

技术领域

本发明涉及一种磁通门传感器，特别是涉及一种微型双环形磁通门传感器。

背景技术

传统的磁通门传感器使用一个坚固的骨架作为基座，将软磁磁芯固定在骨架上，然后在其上缠绕线圈。其结果是体积大、高重量、灵敏度低以及长期稳定性差。利用MEMS技术研制的微型磁通门式磁敏感器，具有质量轻、体积小、灵敏度高、分辨率高以及温度稳定性好等显著特点，并且具有结构紧凑、安装调试简单、不怕震动撞击，适合地磁场等弱磁场的测量。因此微型磁通门传感技术已成为磁场测量技术和微机电系统(MEMS)技术交叉研究领域的一个热点。采用MEMS技术研制的微型化磁通门传感器，可广泛应用于航空航天，车辆、坦克和飞行器的导航和定位、潜艇和金属物体的探测及通信卫星上。美国、日本、德国、瑞士 和捷克等国家对MFGM进行了深入的研究。我国相关的科研单位在这方面从事过大量的科学研究。我国磁通门传感器的研制主要受磁芯材料以及制作工艺的制约，因此国产的磁通门传感器在指标上与国外略有差距。其主要体现在工作可靠性差、线圈容易断裂、成品率低。传感器本身输入激励功率较高，产热量大，难以满足市场化要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型化双环形磁通门传感器，本发明的磁芯结构采用双环形设计，本发明传感器具有适应环境能力强、高可靠性、灵敏度高、测量范围宽以及能耗低的特点。本发明的激励线圈采用分段式设计，每段分别引出焊盘引脚，有效解决了传感器在使用过程中，激励线圈和感应线圈的线条容易断，以及在高振动频率环境下，磁芯容易断裂的问题，以及激励线圈和感应线圈的上、下层线圈的互联问题，具有很好的热稳定性、优异的机械性能以及良好的抗环境影响能力。

本发明通过以下技术方案来实现的。

一种微型化双环形磁通门传感器，本发明包括基底、感应线圈、激励线圈、软磁磁芯、焊盘引脚、硬化后的光刻胶保护膜，软磁磁芯的三条边上分别绕制一组三维螺线管激励线圈，在双环形磁芯的相邻且平行的两条边上绕制一组三维螺线管感应线圈，激励线圈和感应线圈均通过硬化后的光刻胶保护膜与磁芯绝缘隔离，激励线圈和感应线圈均位于衬底上，激励线圈和感应线圈两端都连接焊盘引脚。

所述的衬底为硅片。

所述的激励线圈和感应线圈结构一致，均由底层线圈、顶层线圈通过立柱导体连接形成。

所述的激励线圈，分三组绕制在环形磁芯的三条边上，每组线圈都独立引出焊盘引脚，两个环形磁芯上共计绕制六组激励线圈。

所述的感应线圈，一组感应线圈在双环形磁芯的相邻且平行的两条边上绕制，由于感应线圈内包含环形磁芯的两条边，所以感应线圈的横截面积大于激励线圈的横截面积，并引出焊盘引脚。

所述的软磁磁芯材料为电镀的NiFe合金材料，磁芯结构采用双环形设计，采用磁控溅射法将NiFe合金材料溅射在位于底层线圈和顶层线圈之间的光刻胶保护膜上，然后进行图形化湿法刻蚀制作获得的环形磁芯。

所述的光刻胶保护膜，是将光刻胶均匀地涂覆在涂层上以后，迅速加热至180-200℃。高温处理后光刻胶原有的性能失效，变为一种具有绝缘性且机械性能良好的绝缘材料。

所述的光刻胶保护膜、软磁磁芯、激励线圈和感应线圈均由硬化后的光刻胶胺保护膜绝缘，支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

所述的焊盘引脚，焊盘截面为正方形，厚度与线圈厚度保持一致，通过刻蚀硬化后的光刻胶保护膜形成，焊盘引脚单独暴露以连接与激励线圈和感应线圈接口电路。

本发明的微型化双环形磁通门传感器的制作方法采用MEMS 技术，采用光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和感应线圈；在制作上下层线圈过程中运用了精密抛光工艺；采用磁控溅射工艺和图形化湿法刻蚀方法制备软磁磁芯；采用经高温硬化后的光刻胶材料作为保护膜材料，不仅起到绝缘作用，还起到支撑、包裹作用。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果。

 (1) 本发明采用MEMS 技术制备的双环形磁通门传感器，采用双环形结构设计，增加了感应线圈的匝数，降低了激励信号的功率，极大降低了能耗。具有高灵敏度、宽测量范围以及体积小、重量轻等特点。而且MEMS 技术具有与大规模集成电路相兼容的能力，重复性好、成本低、易于标准化大批量生产。

(2) 本发明激励线圈采用分组设计，每个环形上绕制三组，两个环形共计绕制六组线圈，每组线圈独立引出焊盘引脚，这样的设计大大提高了传感器的可靠性和使用寿命，当传感器的某一组或几组激励线圈发生断裂时，其它的激励线圈仍能保持传感器的正常工作。

(3) 本发明采用高温硬化的光刻胶作为保护膜材料，绝缘性能好，且具有良好的机械性能，采用精密抛光工艺，保证了器件加工过程中表面平整，提高了成品率。

(4) 本发明采用每组线圈独立引出焊盘引脚的设计，通过焊接方式在焊盘上引出引线，便于采用电子封装技术，将传感器封装成芯片，同时工艺过程与大规模集成电路工艺相兼容，可直接与接口电路集成制造。

(5) 本发明采用MEMS 技术研制微型磁通门传感器，与传统磁通门传感器相比稳定性好，重复性高，安装调试过程简易，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响。

(6) 本发明采用感应线圈绕制在双环形磁芯的相邻两条边上，可以将激励线圈产生的磁通都汇聚在感应线圈内，具有聚磁作用，大大提高了传感器的灵敏度和测量范围。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图。

图2 为本发明的线圈结构示意图。

图3 为本发明的正视图。

图4 为沿图3 所示A-A 剖面图。

图5 为沿图3所示B-B 剖面图。

图中：1 为衬底，2 为激励线圈，3 为感应线圈，4 为磁芯，5 为焊盘引脚，6 为光刻胶保护膜，7 为激励线圈的底层线圈，8 为激励线圈的连接立柱，9 为激励线圈的顶层线圈，10 为感应线圈的底层线圈，11 为感应线圈的连接立柱，12 为感应线圈的顶层线圈。

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。

如图1-4所示，本实施例包括衬底1、激励线圈2、感应线圈3、磁芯4、焊盘引脚5、光刻胶保护膜6，闭合的环形磁芯4 的三条边上分别绕制三组相独立的三维螺线管激励线圈2，在两个环形磁芯的相邻且平行的两条边上绕制一组三维螺线管感应线圈3 ；激励线圈2 位于衬底1 上，由底层线圈7、顶层线圈9 通连接立柱8 连接形成，激励线圈2 的两端连接焊盘引脚5 ；感应线圈3 位于衬底1 上，由底层线圈10、顶层线圈12 通过连接导体11连接形成，感应线圈3 的两端焊盘引脚5，激励线圈2 和感应线圈3 均通过光刻胶保护膜6 与磁芯4 绝缘隔离。磁芯4位于底层线圈7、10 和顶层线圈9、12 之间的保护膜6上。磁芯4、激励线圈2 和感应线圈3 均由光刻胶保护膜绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出焊盘引脚5。

工作时，在激励线圈2 中通一交流电，励磁线圈中的周期性的交变电流和环境直流或准直流磁场的共同作用下，过饱和地对磁芯4进行磁调制，在包裹磁芯的感应线圈3中会产生周期性的感生电动势，这个感应电动势不仅含有和励磁电流同频率的基波分量，还含有高次谐波。其中，偶次谐波是和环境磁场存在某种确定的数量关系的。当没有环境磁场存在时，输出信号中没有偶次谐波分量；当存在环境磁场并且当环境磁场远小于磁芯的饱和磁化强度时，偶次谐波(特别是二次谐波)和环境磁场近似线性关系。当有外部磁场存在时，感应线圈3 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，因此可测量外部磁场的大小和方向。

本实施例中，所述的激励线圈2 和感应线圈3 为螺线管线圈，每匝导体的线宽为40μm，厚度为15μm，各匝之间间隙为40μm。

本实施例中，所述的连接导体8 和11的空间形状为四棱柱体，高度为15μm。

本实施例中，所述的磁芯材料为NiFe合金材料，厚度为5-15μm。

本实施例采用 MEMS工艺技术制备，采用光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和感应线圈；在制作上下层线圈过程中运用了精密抛光工艺，有效解决了激励线圈和感应线圈上、下层线圈的互连问题；采用磁控溅射工艺和图形化湿法刻蚀方法制备软磁磁芯；采用经高温硬化后的光刻胶材料作为保护膜材料，不仅起到绝缘作用，还起到支撑、包裹作用采用。

Claims (2)

1.一种微型化双环形磁通门传感器，包括：基底、感应线圈、激励线圈、软磁磁芯、焊盘引脚、硬化后的光刻胶保护膜，软磁磁芯的三条边上分别绕制一组三维螺线管激励线圈，在双环形磁芯的相邻且平行的两条边上绕制一组三维螺线管感应线圈，激励线圈和感应线圈均通过硬化后的光刻胶保护膜与磁芯绝缘隔离，激励线圈和感应线圈均位于衬底上，激励线圈和感应线圈两端都连接焊盘引脚。

2.根据权利要求1 所述的微型化双环形磁通门传感器，其特征是：所述的激励线圈和感应线圈结构一致，其材料为铜，均由底层线圈、顶层线圈通过连接立柱连接形成。

3. 根据权利要求1或者2 所述的微型化双环形磁通门传感器，其特征是：所述的激励线圈，分三组绕制在环形磁芯的三条边上，每组线圈都独立引出焊盘引脚，两个环形磁芯上共计绕制六组激励线圈。

4. 根据权利要求1 或者2 所述的微型化双环形磁通门传感器，所述的感应线圈，一组感应线圈在双环形磁芯的相邻且平行的两条边上绕制，由于感应线圈内包含环形磁芯的两条边，所以感应线圈的横截面积大于激励线圈的横截面积，并引出焊盘引脚。

5. 根据权利要求1 所述的微型化双环形磁通门传感器，其特征是：所述的焊盘引脚，焊盘截面为正方形，厚度与线圈厚度保持一致，焊盘引脚单独暴露以连接与激励线圈和感应线圈接口电路。