[发明专利]一种多孔铁芯结构微型磁通门传感器

说明书

技术领域：

本发明涉及一种磁通门传感器，特别是采用微机电(MEMS)技术制备的微型磁通门传感器。

背景技术：

磁通门是一种具有很好综合性能的磁场分量传感器。微型化磁通门具有体积小、重量轻、结构简单等特点，但存在着功耗高及由于体积小功耗高引起的散热困难等问题。

参照图9，文献“A fully integrated ring-type fluxgate sensor based on a localized core saturation method.IEEE Transactions on Magnetic，2007，43(4)：1040-1043”公开了一种变截面积铁芯结构的微型磁通门传感器。采用环形软磁材料作为铁芯1，铁芯在感应线圈所对应的位置横截面积2缩小为激励线圈对应位置横截面积3的十分之一；采用电镀铜线作为激励线圈4和感应线圈5；激励线圈和感应线圈两端分别引出激励线圈焊盘6和感应线圈焊盘7。其降低磁通门功耗的方法是，通过变截面积铁芯结构，使得感应线圈对应的铁芯部分可以在激励电流较小的情况下先于激励线圈对应的铁芯部分达到饱和状态，从而通过降低激励电流的方法降低磁通门传感器功耗。

然而，文献所述的变截面积铁芯结构微型磁通门激励线圈与感应线圈分别处于铁芯的不同位置且距离较远加之采用变截面积结构，导致激励线圈与感应线圈耦合不够紧密、漏磁严重、电流效率低，阻碍了传感器功耗的进一步降低。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超低功耗、微型化、低成本且易与集成电路相集成的微型化磁通门传感器。本发明所公开的磁通门传感器采用环形软磁铁芯，铁芯呈多孔结构；铁芯上的孔在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列，通过孔将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构；激励线圈和感应线圈均采用三维螺线管结构垂直铁芯长边缠绕，三维螺线管线圈的上下层之间的连通部分由多个连接导体组成；激励线圈和感应线圈交替缠绕；激励线圈缠绕在铁芯上无孔位置 (局部变截面积结构中铁芯截面积较大部位)，感应线圈缠绕在孔上(局部变截面积结构中铁芯截面积较小部位)；激励线圈和感应线圈均由设置在传感器两端的焊盘引出。

本发明所公开的微型磁通门传感器所采用的多孔结构铁芯将整个铁芯在局部分割成整齐排列的多组变截面积结构，激励线圈与无孔位置对应，感应线圈与有孔位置对应保证了每组变截面积结构均可起到降低激励电流的目的；激励线圈和感应线圈均采用三维螺线管结构且交替排列保证了激励线圈与感应线圈紧密耦合，漏磁最小，提高了激励电流的效率；与现有技术中采用的整体变截面积结构相比较，采用多孔铁芯结构使得感应线圈所对应的较小铁芯截面积部分可以在更小的电流下达到饱和状态，传感器功耗大幅降低且传感器体积和工艺复杂度不会发生变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明包含带有二氧化硅绝缘层的硅衬底，三维螺线管激励线圈，三维螺线管感应线圈，用于连接上下层导线的通孔，多孔结构铁芯，聚酰亚胺绝缘和保护层，感应线圈引线焊盘和激励线圈引线焊盘。硅衬底用于为整个结构提供支撑，硅衬底上的二氧化硅绝缘层用于绝缘；激励线圈和感应线圈均由生长在二氧化硅绝缘层上的底层铜导线，两端用于连通上下层的通孔和顶层铜导线构成的三维螺线管结构构成；激励线圈和感应线圈均由两端的引线焊盘引出；三维螺线管结构将中间层铁芯包裹，线圈与铁芯之间以聚酰亚胺作为绝缘层和保护层；双铁芯磁通门传感器的两根铁芯在两端连接构成环形以降低激励磁场退磁系数；铁芯制作成多孔结构，在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列，将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构；激励线圈和感应线圈交替缠绕，激励线圈对应铁芯上无孔位置而感应线圈对应铁芯上的孔所在位置。

本发明公开的微型化磁通门传感器完全采用标准MEMS工艺制作。主要工艺包括：采用磁控溅射工艺制备电镀种子层，采用紫外光刻工艺结合电镀工艺制备软磁铁芯、激励线圈、感应线圈和连接线圈上下层的导体，采用湿法刻蚀工艺去种子层，采用湿法刻蚀工艺刻蚀聚酰亚胺形成上下层连接通孔。大量采用紫外光刻、电镀和湿法刻蚀等低成本工艺保证了经济型。

本发明公开的微型化磁通门采用多孔铁芯结构，铁芯上的孔在垂直铁芯轴向密集排列，在平行铁芯轴向间隔排列，将铁芯分割成形成多组局部变截面积结构。变截面积结构保证了感应线圈对应的铁芯部分可以在较小的激励电流下达到饱和状态，从而减小所需激励电流，降低磁通门传感器功耗。