[发明专利]具有凹槽结构的薄膜磁传感器

说明书

一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器，其特点是在两层矩形磁性膜之间设置一矩形的螺旋线圈构成，所述的矩形的螺旋线圈整体为平面螺旋结构；所述的矩形的螺旋线圈从矩形内部某一位置处顺时针或者逆时针螺旋绕出；所述的两层矩形磁性膜的内表面均有多组与其传感方向(即待测磁场方向，通常为薄膜长度方向)垂直的矩形的凹槽，该矩形的凹槽的组数与所述的矩形的螺旋线圈的匝数相等；所述的两层矩形磁性膜的矩形凹槽相对，将所述的矩形的螺旋线圈中与传感方向垂直的导体嵌入所述的矩形磁性膜的内部。本发明有效提高了薄膜磁传感器对外磁场的灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器，特别是一种具有凹槽结构的薄膜磁传感器。

背景技术

磁传感器是用途最广泛的传感器之一，通过磁场测量可以直接或者间接测量很多种物理、化学、生物等参数。平面螺旋线圈和高磁导率软磁材料制成的软磁薄膜复合，可以形成薄膜线圈结构的磁传感器。

薄膜磁传感器对外磁场的传感过程可分为两个阶段：

第一阶段为薄膜线圈中，软磁薄膜有效磁导率μ_eff对外磁场H_app的响应：

根据软磁材料的磁特性(磁化曲线)，在磁化过程中，软磁薄膜的有效磁导率μ_eff会随外磁场H_app的变化而发生改变。根据软磁薄膜的材料、形状等因素，薄膜有效磁导率μ_eff与外磁场H_app满足一定的函数关系，可简单表示为：

μ_eff＝μ_eff(H_app)

第二阶段为薄膜线圈的电感值L对软磁薄膜有效磁导率μ_eff的响应：

线圈是储能元件，其电感值可定量描述线圈对电能和磁能的转换关系。对于施加交流激励的平面线圈，线圈中的激励电流会在线圈周围激发磁场，该磁场的变化会使线圈电感值L发生变化。若无软磁薄膜覆盖，线圈中电流所激发的磁场不会随外磁场发生改变，线圈的电感值L也不会对外磁场产生传感响应。但当平面线圈与由软磁材料制成的薄膜复合时，软磁薄膜对线圈激发的磁场发生汇聚，且该汇聚效果受到软磁薄膜的有效磁导率μ_eff影响。因此，当软磁薄膜的有效磁导率μ_eff发生改变时，会使得平面线圈的电感值L随之发生变化，可表示为：

L＝L(μ_eff)

至此，可以得到外磁场H_app与线圈电感值L的传感关系：

L＝L(μ_eff)＝L(μ_eff(H_app))

外磁场H_app的变化会引起软磁薄膜有效磁导率μ_eff的改变，从而使得平面线圈的电感值L发生改变。对平面线圈施加交流激励信号，通过对其两端的输出电压信号进行测量，便可实现对外磁场H_app的测量。平面结构的元器件结构简单，制作方便，适合采用微加工工艺进行大批量生产，不仅可以极大地降低器件的成本，而且可以显著提高器件的稳定性和一致性。

平面线圈被软磁材料制成的磁性膜覆盖和线圈放入无限大磁性介质空间的情况不同，它的电感值L不是简单地和磁性材料的相对磁导率μ_r成正比例关系，而是和材料制作成薄膜后的有效磁导率μ_eff有较为复杂的函数关系。磁性膜的形状、几何尺寸(厚度、长度、宽度)及膜间间距等参数既影响着磁性膜对外磁场的敏感程度，又影响着线圈的电感值L随磁性膜有效磁导率μ_eff的变化关系，最终影响了薄膜磁传感器的灵敏度。