專利名稱：微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電(MEM)技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，具體是一種微型化非晶軟 磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器。
背景技術(shù)：
磁通門傳感器作為一種傳統(tǒng)的弱磁場檢測器件，一直有著其獨(dú)特的優(yōu)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(lǐng)域發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用潛力，例如小型移動設(shè)備 GPS定位、導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)、小衛(wèi)星方位姿態(tài)控制、虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)的動作檢測、對高清電視 (HDTV)的地磁補(bǔ)償和點(diǎn)噪聲補(bǔ)償?shù)取＝陙恚捎诟鞣N場的應(yīng)用逐漸地擴(kuò)展，對于器件的要 求趨向于更薄、更輕、更便宜。相應(yīng)地，磁通門傳感器也試圖變得更薄、更輕、更便宜。傳統(tǒng)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，然后在其上纏繞一個通過電流產(chǎn)生磁場的激勵線圈，和一個在激勵線圈誘發(fā)磁場基礎(chǔ) 上檢測外部磁場效應(yīng)的磁場感應(yīng)線圈。這使得傳統(tǒng)磁通門傳感器的尺寸大、重量高、靈敏度 低以及長期穩(wěn)定性差。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(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。與傳統(tǒng)磁通門傳感器探頭相比較，MEMS磁通門傳感器探頭結(jié) 構(gòu)緊湊，體積、質(zhì)量小，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(shù)研制微型磁通門傳感器成為國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點(diǎn)。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，J. Kubik等(L.Pavel and P. Ripka)在《IEEE SENSOR JOURNAL)) (IEEE 傳感器雜志)(Vol. 7，ppl79_183，2007)上發(fā)表了 "Low-Power Printed 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(shù)開發(fā)的微型磁通門傳感器，磁芯為跑道型結(jié)構(gòu)，采用的 是25微米厚的VitrOVac6025 X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. 9mW。由于制作過程中需要打出通孔來實現(xiàn)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(shù)相比，根據(jù)這種方法很難減小磁通門傳感器的尺 寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微型化非晶軟磁合金磁芯螺線 管磁通門傳感器，本發(fā)明傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬以及能耗低的特點(diǎn)，有效解決了 激勵線圈和感應(yīng)線圈的上、下層線圈的互聯(lián)問題，具有很好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的機(jī)械性能以 及良好的抗環(huán)境影響能力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明包括襯底、激勵線圈、感應(yīng)線圈、非晶磁芯、電極、聚酰亞胺保護(hù)膜，非晶磁 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感應(yīng) 線圈，激勵線圈和感應(yīng)線圈均通過聚酰亞胺保護(hù)膜與非晶磁芯絕緣隔離，激勵線圈和感應(yīng) 線圈均位于襯底上，激勵線圈和感應(yīng)線圈兩端都連接電極。
所述的襯底為硅片。所述的激勵線圈和感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)一致，均由底層線圈、頂層線圈通過連接導(dǎo)體連 接形成。所述的激勵線圈和感應(yīng)線圈，兩組相連的激勵線圈在非晶磁芯較短的相互平行的 兩邊上對稱繞制，感應(yīng)線圈在平面內(nèi)垂直于激勵線圈繞制在非晶磁芯另外兩條邊上。所述的非晶磁芯為通過超薄環(huán)氧樹脂粘結(jié)層將非晶合金薄帶粘貼在位于底層線 圈和頂層線圈之間的聚酰亞胺保護(hù)膜上，然后進(jìn)行圖形化濕法刻蝕制作獲得的矩形非晶磁
-I-H心。所述的聚酰亞胺保護(hù)膜，非晶磁芯、激勵線圈和感應(yīng)線圈均由聚酰亞胺保護(hù)膜絕 緣、支撐并完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離。所述的電極，通過刻蝕聚酰亞胺保護(hù)膜形成，電極單獨(dú)暴露以連接與激勵線圈和 感應(yīng)線圈接口電路。本發(fā)明的微型非晶磁芯螺線管磁通門傳感器的制作方法采用MEMS技術(shù)，采用準(zhǔn) LIGA技術(shù)和微電鍍技術(shù)制備激勵線圈和感應(yīng)線圈；采用離子束干法刻蝕技術(shù)去除犧牲層， 避免濕法刻蝕工藝帶來的鉆蝕現(xiàn)象；采用旋涂工藝實現(xiàn)超薄環(huán)氧樹脂粘結(jié)層均勻粘貼非晶 合金薄帶，圖形化濕法刻蝕方法制備非晶磁芯；采用聚酰亞胺材料作為保護(hù)膜材料，不僅起 到絕緣作用，還起到支撐、包裹作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益的效果(1)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)制備的微型非晶螺線管磁通門傳感器，采用正交磁通門 結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有高靈敏度、寬測量范圍以及體積小、重量輕等特點(diǎn)，而且MEMS技術(shù)具有與大 規(guī)模集成電路相兼容的能力，重復(fù)性好、成本低、易于標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)。(2)本發(fā)明采用非晶合金薄帶作為磁芯材料，性能優(yōu)于微型磁通門傳感器常用的 坡莫合金磁芯材料，大大提高了微型磁通門傳感器的靈敏度和有效工作頻率以及工作帶 寬，極大降低了能耗。(3)本發(fā)明采用聚酰亞胺材料作為保護(hù)膜材料，絕緣性能好，采用精密拋光，保證 了器件加工過程中表面平整，提高了成品率；(4)本發(fā)明采用聚酰亞胺材料制作的保護(hù)膜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，傳感器作為一個整體不會因老化而松動， 延長了磁通門傳感器的使用壽命；(5)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)研制微型磁通門傳感器，與傳統(tǒng)磁通門傳感器相比穩(wěn)定 性好，重復(fù)性高，安裝調(diào)試過程簡易，更加牢固，不易受環(huán)境溫度變化和外加應(yīng)力影響。(6)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)研制，可直接在本發(fā)明基礎(chǔ)上實現(xiàn)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(guī)模集成電路工藝相兼容，可直接與接口電 路集成制造，從而提供更多磁測量功能適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域需求，例如飛機(jī)、導(dǎo)彈和車輛的定 位，虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)的動作檢測，對高清電視(HDTV)的地磁補(bǔ)償和點(diǎn)噪聲補(bǔ)償，小衛(wèi)星方 位姿態(tài)控制等。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為沿圖1所示A-A剖面圖；圖3為沿圖1所示B-B剖面圖；圖中1為襯底，2為激勵線圈，3為感應(yīng)線圈，4為磁芯，5為電極，6為聚酰亞胺保 護(hù)膜，7為激勵線圈的底層線圈，8為激勵線圈的連接導(dǎo)體，9為激勵線圈的頂層線圈，10為 環(huán)氧樹脂粘結(jié)層，11為感應(yīng)線圈的底層線圈，12為感應(yīng)線圈的連接導(dǎo)體，13為感應(yīng)線圈的 頂層線圈。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)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1、激勵線圈2、感應(yīng)線圈3、非晶磁芯4、電極5、 聚酰亞胺保護(hù)膜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在平面內(nèi)垂直繞制一組三維螺線管感應(yīng)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(dǎo)體8連接形成，激勵線圈2的兩端連接電極5 ；感應(yīng)線圈3位 于襯底1上，由底層線圈11、頂層線圈13通過連接導(dǎo)體12連接形成，感應(yīng)線圈3的兩端連 接電極5，激勵線圈2和感應(yīng)線圈3均通過聚酰亞胺保護(hù)膜6與磁芯4絕緣隔離。非晶磁芯 4通過超薄環(huán)氧樹脂粘結(jié)層10粘貼在位于底層線圈7、11和頂層線圈9、12之間的保護(hù)膜6 上。磁芯4、激勵線圈2和接收線圈3均由聚酰亞胺保護(hù)膜絕緣、支撐并完全包覆固定為一 個整體，與空氣隔離，傳感器表面僅露出電極5。工作時，在激勵線圈2中通一交流電使磁芯4處于飽和狀態(tài)，沒有外部磁場時，由 于差分效應(yīng)感應(yīng)線圈沒有任何信號輸出；當(dāng)有外部磁場存在時，感應(yīng)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和感應(yīng)線圈3為螺線管線圈，每匝導(dǎo)體的線寬為 50 μ m，厚度為20 μ m，各匝之間間隙為50 μ m。本實施例中，所述的連接導(dǎo)體8和12的空間形狀為四棱柱體，高度為20μπι。本實施例中，所述的磁芯材料為非晶合金薄帶，厚度為10-30 μ m。本實施例中，所述的超薄環(huán)氧樹脂粘結(jié)層厚度為5μπι。本實施例采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制備，采用準(zhǔn)-LIGA光刻技術(shù)和微電鍍技術(shù) 制備激勵線圈和感應(yīng)線圈；采用物理刻蝕技術(shù)去除底層，避免濕法刻蝕工藝帶來的鉆蝕現(xiàn) 象；采用旋涂工藝實現(xiàn)超薄環(huán)氧樹脂粘結(jié)層均勻粘貼非晶合金薄帶，圖形化濕法刻蝕方法 制備非晶磁芯；采用聚酰亞胺材料作為保護(hù)膜材料，不僅起到絕緣作用，還起到支撐、包裹 作用；采用精密拋光工藝，有效解決了激勵線圈和感應(yīng)線圈上、下層線圈的互連問題。采用 MEMS技術(shù)的制備工藝可以實現(xiàn)磁通門傳感器的薄膜化、小型化，并具有高靈敏度、測量范 圍寬，性能重復(fù)性好、溫度穩(wěn)定性好、成本低、易于標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用到弱磁場探 測、飛機(jī)、導(dǎo)彈和車輛的定位，虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)的動作檢測，對高清電視(HDTV)的地磁補(bǔ)償 和點(diǎn)噪聲補(bǔ)償，小衛(wèi)星方位姿態(tài)控制等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
一種微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特征在于，包括襯底、激勵線圈、感應(yīng)線圈、非晶磁芯、電極、聚酰亞胺保護(hù)膜，非晶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感應(yīng)線圈，激勵線圈和感應(yīng)線圈均通過聚酰亞胺保護(hù)膜與非晶磁芯絕緣隔離，激勵線圈和感應(yīng)線圈均位于襯底上，激勵線圈和感應(yīng)線圈兩端都連接電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特征是， 所述的襯底為硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特征是， 所述的激勵線圈和感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)一致，均由底層線圈、頂層線圈通過連接導(dǎo)體連接形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特 征是，所述的激勵線圈和感應(yīng)線圈，兩組相連的激勵線圈在非晶磁芯相互平行的兩邊上對 稱繞制，感應(yīng)線圈在平面內(nèi)垂直于激勵線圈繞制在非晶磁芯另外兩條邊上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特征是， 所述的非晶磁芯為通非晶合金薄帶粘貼在位于底層線圈和頂層線圈之間的聚酰亞胺保護(hù) 膜上，形成矩形非晶磁芯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特征是， 所述的聚酰亞胺保護(hù)膜，非晶磁芯、激勵線圈和感應(yīng)線圈均由聚酰亞胺保護(hù)膜絕緣、支撐并 完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，其特征是， 所述的電極，通過刻蝕聚酰亞胺保護(hù)膜形成，電極單獨(dú)暴露以連接與激勵線圈和感應(yīng)線圈 接口電路。
全文摘要
一種基于微機(jī)電技術(shù)的微型化非晶軟磁合金磁芯螺線管磁通門傳感器，包括襯底、激勵線圈、感應(yīng)線圈、非晶磁芯、電極、聚酰亞胺保護(hù)膜，非晶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感應(yīng)線圈，激勵線圈和感應(yīng)線圈均通過聚酰亞胺保護(hù)膜與非晶磁芯絕緣隔離，激勵線圈和感應(yīng)線圈均位于襯底上，激勵線圈和感應(yīng)線圈兩端都連接電極。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)磁通門傳感器制造穩(wěn)定性、重復(fù)性差的問題，采用高性能非晶磁芯提高了微型磁通門傳感器性能，全尺寸小于1cm×1cm，制造工藝兼容大規(guī)模集成電路工藝，可以和接口電路集成制造，在許多新的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
文檔編號G01R33/04GK101907690SQ20101023910
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者周勇, 雷沖 申請人:上海交通大學(xué)