一種微型陣列式磁通門傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁通門傳感器，特別是涉及一種微型陣列式磁通門傳感器。
【背景技術】
[0002]磁通門是一種具有良好綜合性能的磁場分量傳感器。采用微細加工的方法制作的微型化磁通門式傳感器，具有體積小、重量輕、功耗低和結構簡單等優點。人類發明出了許多不同磁芯結構的磁通門傳感器，如磁芯結構為圓形、跑道形、U形、E形、I形或T等形狀。隨著科技的不斷發展，人們對弱磁場探測的需求不斷提高，要求能夠準確、快速地獲得弱磁場數據，這就要求我們要發明出更先進的結構來滿足人類對微弱磁場的探測要求；通過結構創新來提高傳感器的靈敏精度，并最終能夠提升整個檢測系統的精度。同時，通過傳感器的結構創新，可以簡化制造工藝，有利于降低制造成本和易于批量化生產。目前，迫切需要結構創新來實現磁通門傳感器的系統化，集成化，智能化。推動我國MEMS微系統的產業化。但存在靈敏度低和激勵效率低的技術問題。
[0003]但是現有微型化磁通門傳感器存在著靈敏度低和激勵效率低的技術問題。文獻“MEMS micro fluxgate sensors with mutual vertical excitat1n coils anddetect1n coils: Microsyst Techno, 2009，(15):969 - 972”公開了一種感應線圈和激勵線圈相互垂直正交的微型磁通門傳感器結構及其制備方法。傳感器磁芯結構為長方形，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感應線圈，激勵線圈和感應線圈均通過聚酰亞胺保護膜與非晶磁芯絕緣隔離，激勵線圈和感應線圈均位于襯底上，激勵線圈和感應線圈兩端都連接電極。其增加線性測量范圍的方法是，通過增大感應環圈的橫截面積，進而增大感應電壓的幅值。
[0004]文獻所述的微型化磁通門傳感器，其磁芯橫截面積小，靈敏度低；激勵線圈的匝數比較少，也造成靈敏度降低。同時，兩組激勵線圈用采用串聯，中間用一細長線條連接，使激勵線圈本身內阻很大，不利于傳感器功耗的降低；驅動效率低下，在通入激勵信號時，會產生大量的熱噪聲，使后端的感應信號處理工作變得困難；感應線圈的線條長度過長，雖然增大了感應線圈的橫截面積，但是加工困難，線條在加工和使用過程中容易斷裂，降低了傳感器的可靠性和使用壽命。

【發明內容】

[0005]為了克服現有磁通門傳感器靈敏度低和激勵效率低的不足，本發明提供一種微型陣列式磁通門傳感器。該傳感器采用正交激勵工作模式，即感應線圈和激勵線圈相互垂直正交，包括:襯底1、激勵線圈2、感應線圈3、磁芯4、焊盤5、6聚酰亞胺保護膜。傳感器的磁芯設計為“田”字形環狀閉合結構，由于這種結構具有閉合的對稱磁通路徑，從而能夠減小磁漏現象。磁芯的每條邊上繞有一組線圈，每組線圈分別引出焊盤，十二條邊共有12組線圈。每組線圈繞有一定匝數的導線。磁芯外圍的八條邊上分別繞制八組相互獨立的三維螺線管激勵線圈，磁芯中心處的四條邊上繞制四組三維螺線管感應線圈。由于X軸和Y軸兩個方向上都有激勵和檢測線圈，因此可以同時檢測兩個方向上的磁場強度。通過對采集到的X、Y方向信號進行處理，可以得到平面內任意方向的磁場。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種微型正交激勵磁通門傳感器，其特點是包括襯底1、激勵線圈2、感應線圈3、鐵芯4、焊盤5、絕緣層6、底層線圈7、線圈立柱8和頂層線圈9。所述的襯底I用于為整個結構提供支撐，在襯底上I上先制作底層線圈7 (所有線圈都只完成一半)；在底層線圈7圖形上制備絕緣層5 ;對絕緣層5進行刻蝕鏤空，使底層線圈7與線圈立柱8的連接處充分裸露；在鏤空后的絕緣層5上制作線圈立柱8 ;在絕緣層6上制作磁芯4 ;在鏤空后的絕緣層6上制作頂層線圈9 ;最后刻蝕出焊盤5。
[0007]所述的襯底I為硅片。
[0008]所述的絕緣層6為聚酰亞胺保護膜。
[0009]所述的線圈材料為Cu。
[0010]所述的磁芯4材料為電鍍的坡莫合金材料(Nia8Fea2),磁芯結構采用“田”字形設計，采用磁控濺射法將坡莫合金材料濺射在位于底層線圈和頂層線圈之間的聚酰亞胺保護膜上，然后進行圖形化濕法刻蝕制作獲得的磁芯結構。
[0011]所述的絕緣層6是聚酰亞胺保護膜，磁芯4、激勵線圈2和感應線圈3均由聚酰亞胺保護膜絕緣、支撐并完全包覆固定為一個整體，與空氣隔離。
[0012]所述的激勵線圈2和感應線圈3結構一致，均由底層線圈7、頂層線圈9通過線圈立柱8連接形成，底層線圈7做成直的線條，兩端與線圈立柱8連接；頂層線圈9做成傾斜的線條，其一端與底層線圈7上的線圈立柱8重合，另一端與相鄰的底層線圈7的另外一端的線圈立柱8重合，重復此過程，便形成了螺旋狀，即形成了一組三維螺線管線圈。
[0013]所述的激勵線圈2，分8組繞制在“田”字形磁芯4外圍的八條邊上，每組線圈都獨立引出焊盤5，通過改變施加在焊盤5上的感應電流的方向，可以改變感應磁場的方向，所以本發明的感應磁場方向可控。
[0014]所述的感應線圈3，分4組繞制在“田”字形磁芯4中心的四條邊上，四組線圈中兩兩垂直，每兩組可以串聯使用，也可單獨使用，可以同時測量兩個正交方向上的磁場。
[0015]所述的焊盤5，焊盤截面為正方形，厚度與線圈厚度保持一致，通過刻蝕絕緣層形成，焊盤單獨暴露以連接與激勵線圈和感應線圈接口電路，便于封裝測試。
[0016]本發明的微型陣列式磁通門傳感器的制造方法采用MEMS技術，采用光刻技術和微電鍍技術制備激勵線圈和感應線圈；在制作上下層線圈過程中運用了精密拋光工藝；采用磁控濺射工藝和圖形化濕法刻蝕方法制備軟磁磁芯；采用聚酰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。
[0017]本發明與現有傳感器相比，具有以下有益的效果。
[0018](I)本發明采用MEMS技術制備的陣列式磁通門傳感器，采用“田”字形結構設計，增加了感應線圈的匝數，降低了激勵信號的功率，極大降低了能耗。具有高靈敏度、寬測量范圍以及體積小、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，重復性好、成本低、易于標準化大批量生產。
[0019](2)本發明激勵線圈采用分組設計，磁芯外圍的八條邊上共計繞制八組線圈，每組線圈獨立引出焊盤，當傳感器的某一組或幾組激勵線圈發生斷裂時，其它的激勵線圈仍能保持傳感器的正常工作。這樣的設計大大提高了傳感器的可靠性和使用壽命；每組激勵線圈可以獨立施加激勵信號，通過改變施加在焊盤上的感應電流的方向，可以改變感應磁場的方向，所以本發明的感應磁場方向可控。
[0020](3)本發明采用采用“田”字形結構設計，時傳感器結構對稱，能夠降低因傳感器不對稱帶來的噪聲，提高了傳感器的分辨力和精度。
[0021](4)本發明采用每組線圈獨立引出焊盤引腳的設計，焊盤的厚度與線圈厚度保持一致，降低了線圈的阻值。通過焊接方式在焊盤上引出引線，減小了歐姆連接，便于采用電子封裝技術，將傳感器封裝成芯片，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制造。
[0022](5)本發明采用感應線圈繞制在田字形磁芯中心的四條邊上，，四組線圈中兩兩垂直，每兩組可以串聯使用，也可單獨使用；在同一激勵信號作用下，可以同時測量兩個正交方向上的磁場，通過算法可實現平面內任意方向磁場的測量，拓寬了磁通門傳感器的應用領域。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明微型陣列式磁通門傳感器的結構示意圖。
[0024]圖2是圖1中線圈結構的正視圖。
[0025]圖3是圖1的正視圖。
[0026]圖4是圖3的A-A剖視圖。
[0027]圖5是圖3的B-B剖視圖。
[0028]圖6是本發明微型陣列式磁通門傳感器實施例1制備過程