[发明专利]一种基于磁聚集效应的磁场明暗栅装置

说明书

一种基于磁聚集效应的磁场明暗栅装置，包括：磁体平台、磁场明暗栅组件和基板，磁体平台设置在磁场明暗栅组件顶部，基板设置在磁场明暗栅组件底部；磁场明暗栅组件包含：支撑框架、放大平台、支撑槽、高磁导率软磁隧尖；支撑槽滑动设置在支撑框架内，支撑槽水平设置，多个放大平台滑动设置在滑动槽内，放大平台底部设置高磁导率软磁隧尖。本发明的有益效果在于，通过高磁导率软磁隧尖将近似匀强的磁场强度聚集起来，形成一种稳定变化的高变化率磁场，使得磁敏电阻敏感到的磁场变化，在微弱的磁场变化下磁敏电阻的阻值会发生剧烈变化。同时，所设计的磁场明暗栅结构加工工艺简单、制作成本低、使用方便、可靠性好，适合微型化。

技术领域

本发明涉及磁学领域，具体而言涉及一种基于磁聚集效应的磁场明暗栅装置。

背景技术

磁传感器凭借非接触式测量、不影响被测物等特点被广泛的应用于医疗、国防、航空航天等领域，其原理是通过感知磁场变化来测量电流、位置、方向等物理参数。微机电(MEMS)技术的发展催生了新一代的MEMS磁传感器，体积小、成本低、可靠性好等优点使其迅速占据了巨大的应用市场。磁敏传感器种类包含霍尔元件、半导体磁阻器件、强磁体薄膜磁阻器件等，其中半导体磁阻器件主要是指InSb器件，一般用于微弱磁场检测，主要应用在伪钞识别、脉冲测量以及转速/转数测量。巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器是磁阻器件中具有代表性的两种，需要较高的磁场变化率。典型的TMR磁传感器如SOT23-5，将封装后的体积控制在微米级别的同时，量程为10^-3～10^-1T，分辨率最小可达10^-8T。因此设计一种稳定高变化率磁场对于提高磁传感器灵敏度具有重要意义。

在器件微小型化的大趋势下，被测目标的尺寸也随之减小。微纳尺寸下许多磁体产生的磁场十分微弱，大小只有10^-4T甚至更低，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态。目前，选择GMR或者是TMR这类高分辨率的磁传感器，其量程仍是无法满足测量要求的。所以如何利用现有的磁测量器件完成对弱磁场的测量成为了现阶段研究中的难题。

同时，现在的永磁体在尺寸、矫顽力、表磁等因素的影响下往往不能产生较大的磁场强度和较高的磁场变化率。即使在器件量程范围内对磁场进行测量，当磁场的变化达到nT级别甚至更低，小于或接近传感器的分辨率时，会使得传感器测量结果不准确甚至根本无法使用，所以如何在弱磁环境中获取高变化率的磁场变化是提升MEMS磁传感器灵敏度指标的关键。

磁场明暗栅利用软磁材料的磁聚集效应实现增强局部磁场强度从而提高磁场变化率。磁聚集效应是指在某磁场域中放入一高磁导率软磁材料，在其边角附近磁场强度明显增大的集聚现象。通过磁聚集效应，可以在某点或者是某线附近获得远高于周围环境的磁场强度，然后利用这个峰值就可以在磁场环境不变的情况下获得一个极高的磁场变化率。

发明内容

本发明为了解决在弱磁条件下，磁传感器无法测量出极低磁场变化率的问题，提出了稳定高变化磁场强度的基于磁聚集效应的磁场明暗栅装置。磁场明暗栅运用高磁导率软磁材料在磁场中的磁聚集效应可将高灵敏度MEMS磁阻传感器的量程下限拓展一到两个数量级。

本发明中的软磁材料是指具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，其容易被磁化但是同时也容易退磁。软磁材料可以利用最小的外部磁场实现最大的磁化强度，材料的磁导率越高，磁化强度越高。若将一块高磁导率的软磁材料放置于某固定不变的磁场域中，则材料磁畴极化方向在外部磁场的作用下趋于一致，材料表现出磁性。然后根据磁场集聚效应可知，在边角处所形成的磁场其强度将超越磁体本身磁性一至两个数量级，即反映在磁传感器敏感头上的磁场强度将是外部磁场的几倍甚至几十倍，通过这种放大使得所测磁场满足传感器的量程下限，当测出具体数值后，利用已知的放大倍数即可实现对微弱磁场的测量。另外随着微加工工艺的发展，将磁场明暗栅的尺寸缩小到与MEMS器件相匹配的范围是可行的。