微型正交激勵磁通門傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型正交激勵磁通門傳感器，用于解決現(xiàn)有磁通門傳感器靈敏度低的技術(shù)問題。技術(shù)方案是采用正交激勵工作模式，具有呈S型排列的多組激勵線和鐵芯，具有分段鐵芯結(jié)構(gòu)，具有與鐵芯緊密耦合的三維螺線管結(jié)構(gòu)感應(yīng)線圈，三維螺線管線圈的上下層之間的連通部分由多個連接導(dǎo)體組成。由于S型排列的多組激勵線和鐵芯增加了鐵芯截面積，且不增加激勵電流，解決了鐵芯截面積過小的問題；采用三維螺線管保證了感應(yīng)線圈與鐵芯的緊密耦合，分段鐵芯保證了增大線性測量范圍而不會因為次級線圈匝數(shù)的減小而導(dǎo)致靈敏度大幅下降，提高了靈敏度；S型排列的多組激勵線增加了傳感器輸入阻抗，提高了傳感器工作電壓，降低消耗在驅(qū)動電路上的無用功耗。
【專利說明】微型正交激勵磁通門傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁通門傳感器，特別是涉及ー種微型正交激勵磁通門傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]磁通門是ー種具有良好綜合性能的磁場分量傳感器。微型化正交激勵磁通門體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，線性測量范圍容易調(diào)節(jié)，但存在靈敏度低和激勵效率低的技術(shù)問題。
[0003]參照圖9。 文獻 “An orthogonal f luxgate-type magneticmicrosensor with electroplated permalloy core.Sensors and ActuatorsA:Physical, 2007, 135(1):43_49”公開了ー種正交結(jié)構(gòu)的微型磁通門結(jié)構(gòu)及其制備方法。采用ー根電鍍Cu線作為激勵線I ;用電鍍NiFe合金包覆Cu制激勵線I作為鐵芯2 ;在玻璃基底3上濺射制備平面螺旋線圈作為測量線圈4 ;激勵線和感應(yīng)線圈兩端分別引出激勵線焊盤5和感應(yīng)線圈焊盤6。其増加線性測量范圍的方法是，通過縮短鐵芯長度増加被測磁場方向退磁系數(shù)。
[0004]文獻所述的微型化正交激勵磁通門只有ー根鐵芯，其鐵芯橫截面積小，靈敏度低；平面結(jié)構(gòu)的測量線圈與鐵芯耦合不夠緊密，也造成靈敏度降低；縮短鐵芯長度增加了被測磁場方向退磁系數(shù)，同樣エ藝條件下測量線圈匝數(shù)減少都將引起靈敏度下降。這種結(jié)構(gòu)本身激勵線的阻抗就偏小，縮短鐵芯長度后激勵線阻抗就更小。磁通門本身功耗低的原因是激勵線圈電阻小、激勵電壓小，但激勵電流并不小。在恒壓供電的電路中，大部分功率沒有供給磁通門，而是消耗在了驅(qū)動電路上。這將造成驅(qū)動效率低、驅(qū)動電路負荷過大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有磁通門傳感器靈敏度低的不足，本發(fā)明提供一種微型正交激勵磁通門傳感器。該傳感器采用正交激勵工作模式，具有呈S型排列的多組激勵線和鐵芯，激勵線和鐵芯的組數(shù)根據(jù)對功耗和靈敏度的需求可調(diào)；具有分段鐵芯結(jié)構(gòu)，鐵芯分段的多少根據(jù)對線性測量范圍的需求可調(diào)；具有與鐵芯緊密耦合的三維螺線管結(jié)構(gòu)感應(yīng)線圈，三維螺線管線圈的上下層之間的連通部分由多個連接導(dǎo)體組成。本發(fā)明所公開的磁通門采用S型排列的多組激勵線和鐵芯増加了鐵芯截面積，且不増加激勵電流，解決了鐵芯截面積過小的問題；采用三維螺線管保證了感應(yīng)線圈與鐵芯的緊密耦合，有利于靈敏度的提高；采用分段鐵芯而非單純縮短鐵芯長度保證了増大線性測量范圍的條件下不會因為次級線圈匝數(shù)的減小而導(dǎo)致靈敏度大幅下降；S型排列的多組激勵線增加了傳感器輸入阻抗，提高了傳感器工作電壓，降低消耗在驅(qū)動電路上的無用功耗。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種微型正交激勵磁通門傳感器，其特點是包括襯底1、激勵線2、鐵芯3、感應(yīng)線圈4、絕緣層5、激勵線焊盤6和感應(yīng)線圈焊盤7。所述襯底I是帶有SiO2絕緣層5的Si襯底1，襯底I上S型排列著四根或二十根激勵線2和分為一段或十段的鐵芯3作為中間層，中間層被與之垂直的感應(yīng)線圈4包圍，感應(yīng)線圈4與鐵芯3之間由聚酰亞胺作為絕緣層5。襯底I用于為整個結(jié)構(gòu)提供支撐。激勵線2采用平行排列的多組Cu導(dǎo)線組成，這些平行導(dǎo)線在兩邊線端處通過與它們垂直的導(dǎo)線串行連接形成S型。激勵線2和感應(yīng)線圈4分別連接到位于襯底I上的激勵線焊盤6和感應(yīng)線圈焊盤7上。三維螺線管上下層通過通孔8連接，其兩端分別連接到位于襯底I上的感應(yīng)線圈焊盤7上，用于引線。
[0007]所述感應(yīng)線圈4是三維螺線管線圈。三維螺線管的每ー匝都與激勵線2垂直，三維螺線管的一側(cè)通過直角連接到間隔ー匝的線圈，三維螺線管的另ー側(cè)轉(zhuǎn)接的線圈形成一組螺線管，將兩組螺線管串聯(lián)形成感應(yīng)線圈4。
[0008]所述三維螺線管中任意導(dǎo)線均與鐵芯3垂直。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:該傳感器采用正交激勵工作模式，具有呈S型排列的多組激勵線和鐵芯，激勵線和鐵芯的組數(shù)根據(jù)對功耗和靈敏度的需求可調(diào)；具有分段鐵芯結(jié)構(gòu)，鐵芯分段的多少根據(jù)對線性測量范圍的需求可調(diào)；具有與鐵芯緊密耦合的三維螺線管結(jié)構(gòu)感應(yīng)線圈，三維螺線管線圈的上下層之間的連通部分由多個連接導(dǎo)體組成。本發(fā)明所公開的磁通門采用S型排列的多組激勵線和鐵芯増加了鐵芯截面積，且不増加激勵電流，解決了鐵芯截面積過小的問題；采用三維螺線管保證了感應(yīng)線圈與鐵芯的緊密耦合，有利于靈敏度的提高；采用分段鐵芯而非單純縮短鐵芯長度保證了増大線性測量范圍的條件下不會因為次級線圈匝數(shù)的減小而導(dǎo)致靈敏度大幅下降；S型排列的多組激勵線增加了傳感器輸入阻抗，提高了傳感器工作電壓，降低消耗在驅(qū)動電路上的無用功耗。
[0010]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明微型正交激勵磁通門傳感器實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1的A-A剖視圖。
[0013]圖3是圖1的B-B剖視圖。
[0014]圖4是本發(fā)明微型正交激勵磁通門傳感器實施例1制備過程示意圖。
[0015]圖5是本發(fā)明微型正交激勵磁通門傳感器實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6是圖5的A-A剖視圖。
[0017]圖7是圖5的B-B剖視圖。
[0018]圖8是本發(fā)明微型正交激勵磁通門傳感器實施例2制備過程示意圖。
[0019]圖中，1-襯底，2-激勵線，3-鐵芯，4-感應(yīng)線圈，5-絕緣層，6-激勵線焊盤，7_感應(yīng)線圈焊盤，8-通孔。
[0020]圖9是【背景技術(shù)】磁通門傳感器示意圖。
[0021]圖中，1-激勵線，2-鐵芯，3-玻璃基底，4-測量線圏，5-激勵線焊盤，6-感應(yīng)線圈焊盤。
【具體實施方式】
[0022]實施例1。參照圖1-4。高靈敏度正交激勵微型磁通門。
[0023]本實施例中的微型化正交激勵磁通門包含帶有SiO2絕緣層的Si襯底I，用于為整個結(jié)構(gòu)提供支撐。采用S型排列的20根激勵線2及其周圍分段數(shù)為一段的軟磁材料制成的鐵芯3共同作為中間層，這樣的中間層被與之垂直的三維螺線管感應(yīng)線圈4包圍，感應(yīng)線圈4與鐵芯3之間由聚酰亞胺作為絕緣層5。激勵線2和感應(yīng)線圈4分別連接到位于襯底I上的激勵線焊盤6和感應(yīng)線圈焊盤7上。三維螺線管上下層通過通孔8連接，其兩端分別連接到位于襯底I上的感應(yīng)線圈焊盤7上，用于引線。
[0024]激勵線2、鐵芯3、感應(yīng)線圈4均由磁控濺射、紫外光刻、微電鍍和濕法刻蝕四個步驟完成。聚酰亞胺絕緣層5通過旋涂、預(yù)亞胺化、紫外光刻、濕法刻蝕、亞胺化四個步驟完成。
[0025]具體分步制作過程如下:
[0026]在硅質(zhì)襯底I上通過熱氧化生長300nm厚度的SiO2絕緣層5。
[0027]采用剝離エ藝，利用底層檢測線圈掩膜板在SiO2絕緣層5上制備30nm厚的Ti過渡層。
[0028]采用磁控濺射濺射90nm厚度的Cu種子層。
[0029]利用電鍍エ藝，結(jié)合底層檢測線圈掩膜板制備底層Cu導(dǎo)線，結(jié)合通孔掩膜板電鍍用于上下層連通的銅柱。
[0030]通過濕法刻蝕去除Cu電鍍種子層。
[0031]通過精確控制的旋涂，濕法刻蝕，在底層線圈中間填充PI。
[0032]旋涂聚酰亞胺絕緣層5，濕法刻蝕出用于上下層連通的通孔，階段升溫亞胺化PI。
[0033]離子束轟擊PI表面，磁控濺射90nm厚度的NiFe合金種子層。
[0034]利用電鍍エ藝，結(jié)合鐵芯掩膜板制備底層鐵芯。
[0035]利用電鍍エ藝，結(jié)合激勵線掩膜板制備激勵線。
[0036]利用電鍍エ藝，結(jié)合鐵芯掩膜板制備頂層鐵芯。
[0037]通過濕法刻蝕去除NiFe電鍍種子層。
[0038]旋涂聚酰亞胺絕緣層，濕法刻蝕出用于上下層連通的通孔，階段升溫亞胺化PI。
[0039]離子束轟擊PI表面，磁控濺射135nm厚度的Cu種子層。
[0040]利用電鍍エ藝，結(jié)合頂層檢測線圈掩膜板制備頂層Cu導(dǎo)線。
[0041]旋涂聚酰亞胺絕緣層，濕法刻蝕PI使用于引線的焊盤露出。
[0042]本實施例中，激勵線2與鐵芯3共20組，激勵線2為電鍍Cu，寬度50um，厚度2um，線間距60um,總長度101.3mm ;激勵線2周圍的軟磁材料采用電鍍Ni79Fe21合金,上下層厚度均為lum，每根鐵芯在平行于激勵線方向的分段數(shù)為I段，總長度98mm。
[0043]本實施例中，感應(yīng)線圈4為電鍍Cu，寬度50um，厚度2um，線間距20um，共70膽，總長度357mm。
[0044]本實施例中，上下兩層間的鏈接導(dǎo)體采用電鍍制備并聯(lián)的兩個柱狀導(dǎo)體，寬度30um,長度 40um,厚度 6um。
[0045]實施例2。參照圖5-8。大線性測量范圍，低功耗正交激勵微型磁通門。
[0046]本實施例中的微型化正交激勵磁通門包含帶有Si02絕緣層的Si襯底1，用于為整個結(jié)構(gòu)提供支撐。采用S型排列的四根激勵線2及其周圍分段數(shù)為10段的軟磁材料制成的鐵芯3共同作為中間層，這樣的中間層被與之垂直的三維螺線管感應(yīng)線圈4包圍，感應(yīng)線圈4與鐵芯3之間由聚酰亞胺作為絕緣層5。激勵線2和感應(yīng)線圈4分別連接到位于襯底I上的激勵線焊盤6和感應(yīng)線圈焊盤7上。三維螺線管上下層通過通孔8連接，其兩端分別連接到位于襯底I上的感應(yīng)線圈焊盤7上，用于引線。[0047]激勵線2、鐵芯3、感應(yīng)線圈4均由磁控濺射、紫外光刻、微電鍍和濕法刻蝕四個步驟完成。聚酰亞胺絕緣層通過旋涂、預(yù)亞胺化、紫外光刻、濕法刻蝕、亞胺化四個步驟完成。
[0048]具體分步制作過程如下:
[0049]在硅質(zhì)襯底I上通過熱氧化生長300nm厚度的SiO2絕緣層5。
[0050]采用剝離エ藝，利用底層檢測線圈掩膜板在SiO2絕緣層上制備30nm厚的Ti過渡層。
[0051 ] 采用磁控派射派射90nm厚度的Cu種子層。
[0052]利用電鍍エ藝，結(jié)合底層檢測線圈掩膜板制備底層Cu導(dǎo)線，結(jié)合通孔掩膜板電鍍用于上下層連通的銅柱。
[0053]通過濕法刻蝕去除Cu電鍍種子層。
[0054]通過精確控制的旋涂，濕法刻蝕，在底層線圈中間填充PI。
[0055]旋涂聚酰亞胺絕緣層，濕法刻蝕出用于上下層連通的通孔，階段升溫亞胺化PI。
[0056]離子束轟擊PI表面，磁控濺射90nm厚度的NiFe合金種子層。
[0057]利用電鍍エ藝，結(jié)合鐵芯掩膜板制備底層鐵芯。
[0058]利用電鍍エ藝，結(jié)合激勵線掩膜板制備激勵線2。
[0059]利用電鍍エ藝，結(jié)合鐵芯掩膜板制備頂層鐵芯。
[0060]通過濕法刻蝕去除NiFe電鍍種子層。
[0061]旋涂聚酰亞胺絕緣層，濕法刻蝕出用于上下層連通的通孔，階段升溫亞胺化PI。
[0062]離子束轟擊PI表面，磁控濺射135nm厚度的Cu種子層。
[0063]利用電鍍エ藝，結(jié)合頂層檢測線圈掩膜板制備頂層Cu導(dǎo)線。
[0064]旋涂聚酰亞胺絕緣層，濕法刻蝕PI使用于引線的焊盤露出。
[0065]本實施例中，激勵線2與鐵芯3共四組，激勵線2為電鍍Cu，寬度50um，厚度2um，線間距60um,總長度20.3mm ;激勵線2周圍的軟磁材料采用電鍍Ni79Fe21合金,上下層厚度均為lum，每根鐵芯3在平行于激勵線方向的分段數(shù)為10段，總長度18.8_。
[0066]本實施例中，感應(yīng)線圈4為電鍍Cu，寬度50um，厚度2um，線間距20um，共70膽，總長度105mm。
[0067]本實施例中，上下兩層間的鏈接導(dǎo)體采用電鍍制備并聯(lián)的兩個柱狀導(dǎo)體，寬度30um,長度 40um,厚度 6um。
[0068]通過以上兩個實施例可以看出:
[0069]本發(fā)明公開的微型化磁通門傳感器完全采用標準MEMSエ藝制作。主要エ藝包括:采用磁控濺射エ藝制備電鍍種子層，采用紫外光刻エ藝結(jié)合電鍍エ藝制備激勵線、軟磁鐵芯、感應(yīng)線圈和連接線圈上下層的導(dǎo)體，采用濕法刻蝕エ藝去種子層、刻蝕形成上下層連接通孔。大量采用紫外光刻、電鍍和濕法刻蝕等低成本エ藝保證了經(jīng)濟型。
[0070]本發(fā)明公開的微型化磁通門采用呈S型串聯(lián)連接的多組線-芯結(jié)構(gòu)，線-芯結(jié)構(gòu)的條數(shù)根據(jù)對功耗和靈敏度的需求可選。增加條數(shù)相當于增加了等效橫截面積，可以提高靈敏度，增加條數(shù)也意味著増加激勵線圈電阻，增加傳感器輸入阻杭。串聯(lián)線-芯結(jié)構(gòu)意味著多根鐵芯用同一電流激勵，不需要額外增加激勵電流。
[0071]本發(fā)明公開的微型化磁通門采用分段鐵芯結(jié)構(gòu)，鐵芯分段數(shù)根據(jù)對線性測量范圍的需求可調(diào)。増加分段數(shù)可以使得外磁場方向的退磁系數(shù)増大從而增大傳感器測量線性范圍，同吋，圓周方向的退磁系數(shù)不會變化，這意味著不需要額外增加激勵電流。單純縮短鐵芯長度增加退磁系數(shù)會導(dǎo)致感應(yīng)線圈匝數(shù)的減小，從而導(dǎo)致靈敏度的迅速下降，而分段鐵芯可以解決這個問題。
[0072]本發(fā)明公開的微型化磁通門采用三維螺線管感應(yīng)線圈，螺線管的每ー匝都與激勵線垂直，在器件的一側(cè)通過直角連接到間隔ー匝的線圈，在器件的另ー側(cè)轉(zhuǎn)接的線圈形成另ー組螺線管，將兩組螺線管串聯(lián)成一整個螺線管作為感應(yīng)線圈，這樣就能使得三維螺線管所包含的任意導(dǎo)線都與鐵芯垂直，感應(yīng)線圈能更有效的感知被測磁場的變化。
[0073]本發(fā)明公開的微型化磁通門的三維螺線管感應(yīng)線圈的上下層連通部分由多個連接導(dǎo)體組成，可提良品率。
【權(quán)利要求】
1.一種微型正交激勵磁通門傳感器，其特征在于包括襯底(I)、激勵線(2)、鐵芯(3)、感應(yīng)線圈(4)、絕緣層(5)、激勵線焊盤(6)和感應(yīng)線圈焊盤(7);所述襯底(I)是帶有SiO2絕緣層(5)的Si襯底(1)，襯底(I)上S型排列著四根或二十根激勵線(2)和分為一段或十段的鐵芯(3)作為中間層，中間層被與之垂直的感應(yīng)線圈(4)包圍，感應(yīng)線圈(4)與鐵芯(3)之間由聚酰亞胺作為絕緣層(5);襯底(I)用于為整個結(jié)構(gòu)提供支撐；激勵線(2)采用平行排列的多組Cu導(dǎo)線組成，這些平行導(dǎo)線在兩邊線端處通過與它們垂直的導(dǎo)線串行連接形成S型；激勵線(2)和感應(yīng)線圈(4)分別連接到位于襯底(I)上的激勵線焊盤(6)和感應(yīng)線圈焊盤(7)上；三維螺線管上下層通過通孔(8)連接，其兩端分別連接到位于襯底(I)上的感應(yīng)線圈焊盤(7)上，用于引線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型正交激勵磁通門傳感器，其特征在于:所述感應(yīng)線圈(4)是三維螺線管線圈；三維螺線管的每ー匝都與激勵線(2)垂直，三維螺線管的一側(cè)通過直角連接到間隔ー匝的線圈，三維螺線管的另ー側(cè)轉(zhuǎn)接的線圈形成一組螺線管，將兩組螺線管串聯(lián)形成感應(yīng)線圈(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型正交激勵磁通門傳感器，其特征在于:所述三維螺線管中任意導(dǎo)線均與鐵芯(3)垂直。
【文檔編號】G01R33/04GK103439674SQ201310380162
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】劉詩斌, 郭博 申請人:西北工業(yè)大學(xué)