基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器的製作方法

2024-01-29 17:51:15 1

專利名稱：基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量弱磁場的微型化磁通門傳感器，具體地，涉及利用基於微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技術的集成微製造方法製造的一種基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器。
背景技術：
磁通門傳感器作為一種傳統的弱磁場檢測器件，一直有著其獨特的優勢而無法為其他磁場傳感器所取代，近年來更是不斷在新的領域發現其應用潛力，例如小型行動裝置GPS定位、飛彈慣性制導、小衛星方位姿態控制、虛擬實境空間內的動作檢測、對高畫質電視(HDTV)的地磁補償和點噪聲補償等。近年來，由於各種場的應用逐漸地擴展，對於器件的要求趨向於更薄、更輕、更便宜。相應地，磁通門傳感器也試圖變得更薄、更輕、更便宜。傳統磁通門傳感器使用一個堅固的骨架作為基座，將軟磁帶狀磁芯固定於骨架上，然後在其上纏繞一個通過電流產生磁場的激勵線圈，和一個在激勵線圈誘發磁場基礎上檢測外部磁場效應的磁場感應線圈。這使得傳統磁通門傳感器的尺寸大、重量高、靈敏度低以及長期穩定性差。MEMS技術的發展為微型化磁通門傳感器的研製提供了一條有效可靠的途徑。與傳統磁通門傳感器探頭相比較，MEMS磁通門傳感器探頭結構緊湊，體積、質量小，安裝調試簡單，不怕震動撞擊，受環境溫度變化影響小。採用MEMS技術研製微型磁通門傳感器成為國內外研究開發的熱點。經對現有技術的文獻檢索發現，J. Kubik等(L. Pavel and P. Ripka)在《IEEESENSOR JOURNAL)) (IEEE 傳感器雜誌)Vol. 7，ppl79_183，2007 上發表了 「Low-PowerPrinted Circuit Board Fluxgate Sensor」(低能耗印刷電路板磁通門傳感器)一文。該文提及了一個由多層印刷電路板技術開發的微型磁通門傳感器，磁芯為跑道型結構，採用的是25微米厚的Vitrovac 6025X非晶合金薄帶，在IOkHz下磁通門傳感器的靈敏度是94V/T，能耗只有3. Qmff0由於製作過程中需要打出通孔來實現在磁芯上繞制線圈，傳感器可能會在通過過程中被損壞。另外，與MEMS技術相比，根據這種方法很難減小磁通門傳感器的尺寸。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其為基於MEMS技術的低噪聲微型平面磁通門傳感器，能精確檢測磁場。本發明採用類跑道型的矩形磁通門結構設計，激勵線圈與檢測線圈均繞制在磁芯長軸上，磁芯為矩形電鑄坡莫合金磁芯，磁芯長短軸寬度比為10 1，傳感器具有靈敏度高、噪聲低以及能耗低的特點。其中，主激勵線圈對稱分布在磁芯平行的兩條長軸兩端，檢測線圈和輔助激勵線圈對稱分布在長軸中部，每兩組檢測線圈中間分布一組輔助激勵線圈，有效解決了微型磁通門傳感器磁芯由於退磁效應導致的內部磁場分布不均勻問題，以及磁滯問題，提高了激勵效率，降低了微型磁通門傳感器噪聲和能耗，提高了信號響應速度。為了實現上述目的，本發明的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，包括襯底、主激勵線圈、輔助激勵線圈、檢測線圈、磁芯、電極、聚醯亞胺薄膜，其中，在磁芯平行的兩條長軸兩端對稱繞制四組主激勵線圈，在長軸中部對稱繞制三組檢測線圈和兩組輔助激勵線圈；位於同一長軸上的三組檢測線圈之間同向串聯，位於不同長軸上的檢測線圈之間反向串聯，在同一長軸上每兩組檢測線圈中間分布一組所述輔助激勵線圈，所述磁芯、主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈均由所述聚醯亞胺保護膜包覆以絕緣隔離，所述主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈均位於襯底表面，所述主激勵線圈和檢測線圈的兩端分別連接電極。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述襯底為石英玻璃。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述磁芯為矩形電鑄坡莫合金磁芯，磁芯長短軸寬度比為10 I。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈均為三維螺線管線圈，所述三維螺線管線圈由底層線圈、頂層線圈通過連接導體連接形成，同時所述主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈中每匝導體的線寬為50 iim，各匝導體之間的間隙均為50iim。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述的磁芯、主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈均由聚醯亞胺薄膜絕緣、支撐並完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述電極位於襯底表面，其厚度大於底層線圈、頂層線圈和連接導體厚度之和，並通過刻蝕所述聚醯亞胺薄膜使電極單獨暴露以連接接口電路。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述電極、底層線圈、頂層線圈和連接導體材料為電鑄銅。根據上述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其中，所述主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈每組分別為10匝、3匝和10匝本發明的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器與現有技術相t匕，具有以下有益的效果(I)本發明採用MEMS技術製備的低噪聲微型平面磁通門傳感器，採用類跑道型的矩形磁通門結構設計，具有高靈敏度、噪聲低、能耗低以及體積小、重量輕等特點，而且MEMS技術具有與大規模集成電路相兼容的能力，重複性好、成本低、易於標準化大批量生產；(2)本發明採用主輔激勵線圈的雙重激勵方式，有效解決了微型磁通門傳感器磁芯由於退磁效應導致的內部磁場分布不均勻問題，以及磁滯問題，提高了激勵效率，降低了微型磁通門傳感器噪聲和能耗，提高了信號響應速度；(3)本發明採用聚醯亞胺材料製作的保護膜密封包裹整個磁通門傳感器，避免了長時間工作狀態下線圈和磁芯在空氣中的氧化，傳感器作為一個整體不會因老化而鬆動，延長了磁通門傳感器的使用壽命；(4)本發明採用MEMS技術研製微型平面磁通門傳感器，與傳統磁通門傳感器相比穩定性好，重複性高，安裝調試過程簡易，更加牢固，不易受環境溫度變化和外加應力影響；(5)本發明採用MEMS技術研製，可直接在本發明基礎上實現二軸微型磁通門傳感器以及磁通門傳感器陣列，同時工藝過程與大規模集成電路工藝相兼容，可直接與接口電路集成製造，從而提供更多磁測量功能適應不同應用領域需求，例如飛機、飛彈和車輛的定位，虛擬實境空間內的動作檢測，對HDTV的地磁補償和點噪聲補償，小衛星方位姿態控制
坐寸o


圖1為本發明的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器的結構 示意圖。圖2為沿圖1所示A-A線的剖面圖。圖中1為襯底，2為主激勵線圈，3為輔助激勵線圈，4為檢測線圈，5為磁芯，6為電極，7為聚醯亞胺薄膜，8為底層線圈，9為項層線圈，10為連接導體。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。如圖1-2所示，本發明的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器包括襯底I、主激勵線圈2、輔助激勵線圈3、檢測線圈4、磁芯5、電極6和聚醯亞胺薄膜7。閉合的矩形磁芯5平行的兩條長軸兩端對稱繞制四組主激勵線圈2，每組主激勵線圈2的匝數為10匝，在磁性5上的每個長軸中部對稱繞制三組檢測線圈4和兩組輔助激勵線圈3，位於同一長軸上的三組檢測線圈之間同向串聯，位於不同長軸上的檢測線圈之間反向串聯；在同一長軸上每兩組檢測線圈中間分布一組輔助激勵線圈，每組檢測線圈匝數為10匝，每組輔助激勵線圈匝數為3匝；主激勵線圈2、輔激勵線圈3和檢測線圈4均位於襯底I上，主激勵線圈2和檢測線圈4的兩端分別連接電極6 ;主激勵線圈2、輔激勵線圈3和檢測線圈4均通過聚醯亞胺保護膜7與磁芯5絕緣隔離。磁芯5、主激勵線圈2、輔激勵線圈3和檢測線圈4均由聚醯亞胺保護膜絕緣、支撐並完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離，傳感器表面僅露出電極6。工作時，在主激勵線圈2、輔激勵線圈3中通一正弦交流電使磁芯5處於飽和狀態。沒有外部磁場時，由於差分效應，檢測線圈4沒有任何信號輸出；當有外部磁場存在時，檢測線圈4會有輸出信號，信號為偶次諧波，經濾波後可得到二次諧波信號。二次諧波信號大小與外部磁場成正比。因此可測量外部磁場大小和方向。本實施例中，主激勵線圈2、輔激勵線圈3和檢測線圈4均為三維螺線管線圈結構一致，該三維螺線管線圈由底層線圈8、頂層線圈9通過連接導體10連接形成。三維螺線管線圈的材料為電鑄銅，且三維螺線管線圈中每匝導體的線寬為50 u m,厚度為20 u m,各匝之間間隙為50 Um0本實施例中，連接導體10的空間形狀為四稜柱體，高度為30iim，襯底I為石英玻3 。
本實施例中，磁芯5為矩形電鑄坡莫合金磁芯，磁芯長短軸寬度比為10 1，長軸寬度為800 u m,厚度為20 u m。本實施例中，電極6位於襯底I表面，其厚度大於底層線圈8、項層線圈9和連接導體10厚度之和，並通過刻蝕聚醯亞胺薄膜7使電極6單獨暴露以連接接口電路。本實施例採用MEMS技術製備，採用準-LIGA光刻技術和微電鍍技術製備激勵線圈和檢測線圈，其中LIGA是深度X射線刻蝕、電鑄成型、塑料鑄膜三個詞的結合；採用物理刻蝕技術去除底層，避免溼法刻蝕工藝帶來的鑽蝕現象；採用聚醯亞胺材料作為保護膜材料，不僅起到絕緣作用，還起到支撐、包裹作用；採用精密拋光工藝，有效解決了激勵線圈和檢測線圈上、下層線圈的互連問題。採用MEMS技術的製備工藝可以實現磁通門傳感器的薄膜化、小型化，並具有高靈敏度、測量範圍寬，性能重複性好、溫度穩定性好、成本低、易於標準化批量生產，可廣泛應用到弱磁場探測、飛機、飛彈和車輛的定位，虛擬實境空間內的動作檢測，對高畫質電視(HDTV)的地磁補償和點噪聲補償，小衛星方位姿態控制等領域。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，包括襯底(I)、主激勵線圈(2)、輔助激勵線圈(3)、檢測線圈(4)、磁芯(5)、電極(6)和聚醯亞胺薄膜(7)，其中，在磁芯(5)平行的兩條長軸兩端對稱繞制四組主激勵線圈(2)，在長軸中部對稱繞制三組檢測線圈(4)和兩組輔助激勵線圈(3);位於同一長軸上的三組檢測線圈(4)之間同向串聯，位於不同長軸上的檢測線圈(4)之間反向串聯，在同一長軸上每兩組檢測線圈(4)中間分布一組所述輔助激勵線圈(3)，所述磁芯(5)、主激勵線圈(2)、輔激勵線圈(3)和檢測線圈(4)均由所述聚醯亞胺保護膜(7)包覆以絕緣隔離，所述主激勵線圈(2)、輔激勵線圈(3)和檢測線圈(4)均位於襯底(I)表面，所述主激勵線圈(2)和檢測線圈⑷的兩端分別連接電極(6)。
2.根據權利要求I所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述襯底(I)為石英玻璃。
3.根據權利要求I所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述磁芯(5)為矩形電鑄坡莫合金磁芯，磁芯長短軸寬度比為10 I。
4.根據權利要求I所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述主激勵線圈(2)、輔激勵線圈(3)和檢測線圈(4)均為三維螺線管線圈，所述三維螺線管線圈由底層線圈(8)、項層線圈(9)通過連接導體(10)連接形成，同時所述主激勵線圈(2)、輔激勵線圈(3)和檢測線圈⑷中每匝導體的線寬為50μπι，各匝導體之間的間隙均為50 μ m。
5.根據權利要求1-5之一所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述的磁芯(5)、主激勵線圈(2)、輔激勵線圈(3)和檢測線圈(4)均由聚醯亞胺薄膜(7)絕緣、支撐並完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離。
6.根據權利要求I所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述電極(6)位於襯底(I)表面，其厚度大於底層線圈(8)、頂層線圈(9)和連接導體(10)厚度之和，並通過刻蝕所述聚醯亞胺薄膜(7)使電極(6)單獨暴露以連接接口電路。
7.根據權利要求1-7之一所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述電極(6)、底層線圈(8)、頂層線圈(9)和連接導體(10)材料為電鑄銅。
8.根據權利要求I所述的基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，其特徵在於，所述主激勵線圈(2)、輔激勵線圈(3)和檢測線圈(4)每組分別為10匝、3匝和10阻。
全文摘要
本發明公開了一種基於主輔線圈雙重激勵的低噪聲微型平面磁通門傳感器，包括襯底、主激勵線圈、輔助激勵線圈、檢測線圈、磁芯、電極、聚醯亞胺薄膜，其中，在磁芯平行的兩條長軸兩端對稱繞制四組主激勵線圈，在長軸中部對稱繞制三組檢測線圈和兩組輔助激勵線圈；在同一長軸上每兩組檢測線圈中間分布一組所述輔助激勵線圈，所述主激勵線圈、輔激勵線圈和檢測線圈均位於襯底表面，所述主激勵線圈的兩端連接電極。本發明解決了傳統磁通門傳感器製造穩定性、重複性差的問題，採用主輔線圈雙重激勵提高了微型磁通門傳感器激勵效率，有效降低了輸出信號噪聲和能耗，可以和接口電路集成製造，在許多新的領域具有廣泛的應用。
文檔編號G01R33/04GK102981131SQ20121046553
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者雷衝, 周勇, 楊真, 雷劍 申請人:上海交通大學