[发明专利]微机电系统的微型化磁通门传感器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的磁敏传感器，具体是一种基于微机电系统(MEMS)技术的微型化磁通门传感器。

背景技术

磁敏传感器是一个既能传感磁场又能从中获取信息的固态器件，它把与磁感应强度有关的信息转换成电信号。利用磁敏传感器进行磁场的探测和测量，尤其是对弱磁场的探测和测量，在汽车电子、工业过程控制、生物医学、航空航天等具有非常重要的应用前景和技术价值。作为高灵敏度的弱磁场传感器，可广泛用于舰船和车辆等的电子指南针和导航系统、空间星际间的磁场测量和应用、飞行器和微卫星的飞行姿态控制、潜艇探测、地球物理勘探、封装检测等。当前对弱磁传感器的需求迫使科学家提高磁敏传感器的灵敏度、微型化并与电路系统集成。磁通门传感器作为一种弱磁场检测器件，早在第二次世界大战时已用于潜艇的探测，近年来在卫星发射、运载火箭、航天器等更是作为姿态敏感器而被广泛使用。传统的磁通门传感器使用一个坚固的骨架作为基座，将软磁带状磁芯固定于骨架上，然后在其上缠绕线圈。其结果是体积大、高重量、灵敏度低及长期稳定性差。90年代以来，微机电系统(MEMS)技术的飞速发展，为微型化磁通门传感器的研制提供了一条有效可靠的途径。采用MEMS技术研制微型化、集成化的磁通门传感器成为国内外研究开发的热点。与传统的磁通门传感器相比较，MEMS磁通门传感器结构紧凑，体积小、质量轻，安装调试简单，不怕震动撞击，受环境温度变化影响小。采用MEMS技术研制的微型化磁通门传感器，可广泛应用于航空航天、车辆、坦克和飞行器的导航和定位、潜艇和金属物体的探测及通信卫星上。

经对现有技术的文献检索发现，T.M.Liakopoulos等(TrifonM.Liakopoulos and Chong H.Ahn)在《SENSORS AND ACTUATORS》(传感器与执行器)(VOL.77，pp.66-72，1999)上发表了“A Micro—Fluxgate MagneticSensor Using Micromachined Planar Solenoid Coils”(采用微机械平面螺线管线圈的微型化磁通门传感器)一文，该文提及了由坡莫合金作为磁芯的平面螺线管线圈的微型化磁通门传感器。作者采用UV—LIGA厚胶工艺和电镀工艺，在玻璃上研制出了平面型3—维磁芯螺线管线圈，用作激励和接收线圈。磁芯为矩形—环形结构，是采用电镀技术电镀的坡莫合金。该磁通门传感器由玻璃衬底、铜螺线管线圈、坡莫合金磁芯以及光刻胶组成，传感器的尺寸为5mm×2.5mm，在100KHz下磁通门传感器的灵敏度为418V/T。作者采用平行磁通门结构设计，激励线圈与接收线圈处于平行位置，激励线圈与接收线圈相互影响，器件具有低的测量范围。另外，作者采用光刻胶作绝缘层，光刻胶具有机械性能差、强度低、绝缘性差及热稳定性差等缺点，受外界冲击影响大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微机电系统的微型化磁通门传感器。本发明采用平面正交磁通门结构设计，激励线圈与接收线圈处于正交位置，接收线圈与磁场方向平行且不受激励线圈影响，器件具有宽广的线性测量范围和较低的功耗。采用聚酰亚胺为绝缘层和抛光工艺，有效解决了激励线圈和接收线圈上、下层线圈的互联问题。聚酰亚胺具有很好的热稳定性、优异的机械性能及良好的抗环境影响能力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括衬底、激励线圈、接收线圈、磁芯、引脚、聚酰亚胺绝缘材料，闭合的矩形磁芯上对称绕制两组相连的三维螺线管激励线圈，与激励线圈垂直绕制一组三维螺线管接收线圈，激励线圈和接收线圈均通过聚酰亚胺材料与磁芯绝缘隔离，激励线圈和接收线圈均位于衬底上，并且两端连接引脚。

所述的激励线圈和接收线圈结构相同，都是由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成，激励线圈和接收线圈都两端连接引脚。

所述的磁芯为电镀的NiFe合金材料。

本发明中，磁芯、激励线圈和接收线圈均由聚酰亚胺绝缘、支撑并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出引脚。聚酰亚胺不仅起到绝缘作用，还起到支撑、包裹的作用。

本发明的微型化磁通门传感器的制作方法采用微机电系统(MEMS)技术，首先在衬底材料上制作双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用准—LIGA光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和接收线圈；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用微电镀技术制备NiFe磁芯材料；采用聚酰亚胺做绝缘材料，聚酰亚胺不仅起绝缘作用，还起到支撑、包裹的作用。