專利名稱：微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術領域的磁敏傳感器，具體是一種基于微機電 系統(tǒng)(MEMS)技術的微型化磁通門傳感器。
背景技術：
磁敏傳感器是一個既能傳感磁場又能從中獲取信息的固態(tài)器件，它把與磁感 應強度有關的信息轉換成電信號。利用磁敏傳感器進行磁場的探測和測量，尤其 是對弱磁場的探測和測量，在汽車電子、工業(yè)過程控制、生物醫(yī)學、航空航天等 具有非常重要的應用前景和技術價值。作為高靈敏度的弱磁場傳感器，可廣泛用 于艦船和車輛等的電子指南針和導航系統(tǒng)、空間星際間的磁場測量和應用、飛行 器和微衛(wèi)星的飛行姿態(tài)控制、潛艇探測、地球物理勘探、封裝檢測等。當前對弱 磁傳感器的需求迫使科學家提高磁敏傳感器的靈敏度、微型化并與電路系統(tǒng)集 成。磁通門傳感器作為一種弱磁場檢測器件，早在第二次世界大戰(zhàn)時已用于潛艇 的探測，近年來在衛(wèi)星發(fā)射、運載火箭、航天器等更是作為姿態(tài)敏感器而被廣泛 使用。傳統(tǒng)的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 于骨架上，然后在其上纏繞線圈。其結果是體積大、高重量、靈敏度低及長期穩(wěn) 定性差。90年代以來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的飛速發(fā)展，為微型化磁通門傳 感器的研制提供了一條有效可靠的途徑。采用MEMS技術研制微型化、集成化的 磁通門傳感器成為國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點。與傳統(tǒng)的磁通門傳感器相比較，MEMS 磁通門傳感器結構緊湊，體積小、質(zhì)量輕，安裝調(diào)試簡單，不怕震動撞擊，受環(huán) 境溫度變化影響小。采用MEMS技術研制的微型化磁通門傳感器，可廣泛應用于 航空航天、車輛、坦克和飛行器的導航和定位、潛艇和金屬物體的探測及通信衛(wèi) 星上。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，T. M. Liakopoulos等(Trifon M. Liakopoulos and Chong H. Ahn)在《SENS0RS AND ACTUATORS》(傳感器與 執(zhí)行器)(VOL. 77' pp. 66-72， 1999)上發(fā)表了 " A Micro—Fluxgate MagneticSensor Using Micromachined Planar Solenoid Coils，，(采用微機械平面螺線 管線圈的微型化磁通門傳感器)一文，該文提及了由坡莫合金作為磁芯的平面螺 線管線圈的微型化磁通門傳感器。作者采用UV—LIGA厚膠工藝和電鍍工藝，在 玻璃上研制出了平面型3 —維磁芯螺線管線圈，用作激勵和接收線圈。磁芯為矩 形一環(huán)形結構，是采用電鍍技術電鍍的坡莫合金。該磁通門傳感器由玻璃襯底、 銅螺線管線圈、坡莫合金磁芯以及光刻膠組成，傳感器的尺寸為5mmX2.5mm， 在100KHz下磁通門傳感器的靈敏度為418V / T。作者采用平行磁通門結構設計， 激勵線圈與接收線圈處于平行位置，激勵線圈與接收線圈相互影響，器件具有低 的測量范圍。另外，作者采用光刻膠作絕緣層，光刻膠具有機械性能差、強度低、 絕緣性差及熱穩(wěn)定性差等缺點，受外界沖擊影響大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種微機電系統(tǒng)的微型化磁通 門傳感器。本發(fā)明采用平面正交磁通門結構設計，激勵線圈與接收線圈處于正交 位置，接收線圈與磁場方向平行且不受激勵線圈影響，器件具有寬廣的線性測量 范圍和較低的功耗。采用聚酰亞胺為絕緣層和拋光工藝，有效解決了激勵線圈和 接收線圈上、下層線圈的互聯(lián)問題。聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的機械 性能及良好的抗環(huán)境影響能力。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括襯底、激勵線圈、接收線圈、 磁芯、引腳、聚酰亞胺絕緣材料，閉合的矩形磁芯上對稱繞制兩組相連的三維螺 線管激勵線圈，與激勵線圈垂直繞制一組三維螺線管接收線圈，激勵線圈和接收 線圈均通過聚酰亞胺材料與磁芯絕緣隔離，激勵線圈和接收線圈均位于襯底上， 并且兩端連接引腳。
所述的激勵線圈和接收線圈結構相同，都是由底層線圈、頂層線圈通過連接 導體連接形成，激勵線圈和接收線圈都兩端連接引腳。
所述的磁芯為電鍍的NiFe合金材料。
本發(fā)明中，磁芯、激勵線圈和接收線圈均由聚酰亞胺絕緣、支撐并完全包覆 固定為一個整體，與空氣隔離，傳感器表面僅露出引腳。聚酰亞胺不僅起到絕緣 作用，還起到支撐、包裹的作用。
本發(fā)明的微型化磁通門傳感器的制作方法采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術，首 先在襯底材料上制作雙面套刻對準符號，以便曝光時提高對準精度；采用準一LIGA光刻技術和微電鍍技術制備激勵線圈和接收線圈；采用物理刻蝕技術去除底層，避免濕法刻蝕工藝帶來的鉆蝕現(xiàn)象；采用微電鍍技術制備NiFe磁芯材料;采用聚酰亞胺做絕緣材料，聚酰亞胺不僅起絕緣作用，還起到支撐、包裹的作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益的效果
(1) 本發(fā)明采用MEMS技術制備微型化磁通門傳感器，采用正交磁通門結構設計，具有高的靈敏度、更寬的線性測量范圍、體積小、重量輕等優(yōu)點及廣泛的用途。而且MEMS技術具有與大規(guī)模集成電路相兼容的能力，重復性好、成本低，易于大批量生產(chǎn)；
(2) 本發(fā)明釆用聚酰亞胺材料作為絕緣材料，結合力好，采用精密機械拋光，保證了器件加工工藝過程中表面平整、均勻性好，提高了成品率；
(3) 本發(fā)明采用聚酰亞胺材料作為密封材料，密封包裹整個磁通門傳感器，避免了長時間工作狀態(tài)下線圈和磁芯在空氣中的氧化，延長了磁通門傳感器的使用壽命；
(4) 本發(fā)明采用MEMS技術研制微型化磁通門傳感器，與傳統(tǒng)磁通門傳感器相比穩(wěn)定性好、重復性高，沒有安裝調(diào)試過程，更加牢固，不易受環(huán)境溫度變化和外加應力影響；
(5) 本發(fā)明采用MEMS技術研制，可以直接在現(xiàn)有單軸微型化磁通門傳感器的基礎上實現(xiàn)二軸微型化磁通門傳感器，提供更多的磁測量功能，不需要額外的制造工藝和安裝調(diào)試過程；可以實現(xiàn)磁通門傳感器陣列；
(6) 本發(fā)明采用MEMS技術研制，工藝過程可以和大規(guī)模集成電路工藝相兼容，可直接與接口電路集成制造構成不同用途的磁通門傳感器產(chǎn)品，廣泛應用于各種便攜式電子產(chǎn)品如手機、筆記本電腦的GPS定位，導彈慣性制導系統(tǒng)、小衛(wèi)星方位姿態(tài)控制等。


圖l為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為沿圖l所示A-A剖面圖。圖3為沿圖1所示B-B剖面圖。
圖中l(wèi)為襯底，2為激勵線圈，3為接收線圈，4為磁芯，5為引腳，6為聚酰亞胺絕緣材料，7為激勵線圈的底層線圈，8為激勵線圈的連接導體，9為激勵線圈的頂層線圈，IO為接收線圈的底層線圈，11為接收線圈的連接導體，12為接收線圈的頂層線圈。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1-3所示，本實施例包括襯底l、激勵線圈2、接收線圈3、磁芯4、引腳5、聚酰亞胺絕緣材料6，閉合的矩形磁芯4上對稱繞制兩組相連的三維螺線管激勵線圈2，與激勵線圈2垂直繞制一組三維螺線管接收線圈3;激勵線圈2位于襯底1上，由底層線圈7、頂層線圈9通過連接導體8連接形成，激勵線圈2的兩端連接引腳；接收線圈3位于襯底1上，由底層線圈10、頂層線圈12通過連接導體ll連接形成，接收線圈3的兩端連接引腳5，激勵線圈2和接收線圈3均通過聚酰亞胺絕緣材料6與磁芯4絕緣隔離。磁芯4、激勵線圈2和接收線圈3均由聚酰亞胺絕緣、支撐并完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離，傳感器表面僅露出引腳5。
工作時，在激勵線圈2中通一交流電流使磁芯4處于飽和狀態(tài)，沒有外部磁場時，接收線圈3沒有任何信號輸出；當有外部磁場存在時，接收線圈3會有輸出信號，信號為偶次諧波，經(jīng)濾波后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，所述的激勵線圈2和接收線圈3為螺線管線圈，每匝導體的線寬為50um，厚度為20iim，各匝之間間隙為50ym。
本實施例中，所述的激勵線圈2的底層線圈7、頂層線圈9的導體長度為1000 ym。
本實施例中，所述的接收線圈3的底層線圈10、頂層線圈12的導體長度為3360 ii m。
本實施例中，所述的連接導體8和11的空間形狀為四棱柱體，高度為20ym。本實施例中，所述的磁芯材料4為電鍍的NiFe合金，厚度為5-20pm。本實施例采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術制備，首先在襯底材料上制作雙面套刻對準符號，以便曝光時提高對準精度；采用準一LIGA光刻技術和微電鍍技術制備激勵線圈和接收線圈；采用物理刻蝕技術去除底層，避免濕法刻蝕工藝帶來的鉆蝕現(xiàn)象；采用微電鍍技術制備NiFe磁芯材料；采用聚酰亞胺做絕緣材料，聚酰亞胺不僅起絕緣作用，還起到支撐、包裹的作用；采用精密拋光工藝，有效解決了激勵線圈和接收線圈上、下層線圈的互聯(lián)問題。MEMS技術可以實現(xiàn)其制備工藝與IC工藝兼容，可與配套的檢測電路制作在一起，實現(xiàn)整個傳感器的薄膜化、小型化，并具有高靈敏度、響應速度快，性能重復性好、溫度穩(wěn)定性好及易于大批量生產(chǎn)?？蓮V泛應用到弱磁場探測、小型手持設備或車輛GPS定位、導彈慣性制導、小衛(wèi)星方位姿態(tài)控制等領域。
權利要求
1、一種微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器，其特征在于包括襯底(1)、激勵線圈(2)、接收線圈(3)、磁芯(4)、引腳(5)、聚酰亞胺絕緣材料(6)，閉合的矩形磁芯(4)上對稱繞制兩組相連的三維螺線管激勵線圈(2)，與激勵線圈(2)垂直繞制一組三維螺線管接收線圈(3)，激勵線圈(2)和接收線圈(3)均通過聚酰亞胺材料(6)與磁芯(4)絕緣隔離，激勵線圈(2)和接收線圈(3)均位于襯底(1)上，并且兩端連接引腳(5)。
2、 如權利要求1所述的微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器，其特征是，所 述的激勵線圈(2)和接收線圈(3)結構相同，都是由底層線圈(7)、頂層線圈(9)通過連接導體(8)連接形成。
3、 如權利要求2所述的微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器，其特征是，所 述的連接導體(8)的空間形狀為四棱柱體，高度為20um。
4、 如權利要求1所述的微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器，其特征是，所 述的磁芯(4)、激勵線圈(2)和接收線圈(3)均由聚酰亞胺絕緣、支撐并完全 包覆固定為一個整體，與空氣隔離，傳感器表面僅露出引腳(5)。
5、 如權利要求1或4所述的微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器，其特征是， 所述的磁芯(4)材料為電鍍的NiFe合金，厚度為5^ra -20 u m。
6、 如權利要求1或2或4所述的微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器，其特 征是，所述的激勵線圈(2)和接收線圈(3)的導體材料為電鍍銅，寬度為50um， 厚度為20ixm，匝間間隙為50ym。
全文摘要
一種微機電技術領域的微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器。本發(fā)明包括襯底、激勵線圈、接收線圈、磁芯、引腳、聚酰亞胺絕緣材料，閉合的矩形磁芯上對稱繞制兩組相連的三維螺線管激勵線圈，與激勵線圈垂直繞制一組三維螺線管接收線圈，激勵線圈和接收線圈均通過聚酰亞胺材料與磁芯絕緣隔離，激勵線圈和接收線圈均位于襯底上，并且兩端連接引腳。所述的磁芯材料為電鍍的NiFe合金。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)磁通門傳感器安裝調(diào)試困難，穩(wěn)定性、重復性差的問題，制造工藝與大規(guī)模集成電路工藝兼容，可以和接口電路集成制造，在許多新的領域具有廣泛應用。
文檔編號B81C99/00GK101481083SQ200910046099
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月12日 優(yōu)先權日2009年2月12日
發(fā)明者文 丁, 勇 周, 周志敏, 沖 雷 申請人:上海交通大學