[发明专利]一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片

说明书

本发明公开了一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片，包括玻璃衬底、平面微机电系统磁通门传感器件阵列和硅支撑片；该传感器件阵列含有五个磁通门传感单元，分别位于十字形结构的四个顶点和中心点位置，每个单元由垂直正交的两个单轴磁通门传感器件组成；该传感器件阵列中的同轴同向单轴磁通门传感器件相对中心点呈平行对称分布，相邻的同轴同向单轴磁通门传感器件间距相等；该传感器件阵列通过硅‑玻璃键合固定至硅支撑片上下表面，位于上下平面的各磁通门传感单元在垂直方向上一一平行重合对应。本发明可以有效实现地磁场张量测量，极大缩小了磁通门张量仪体积，大幅提升了磁通门张量仪的测量精度，有力促进了地磁场张量测量技术广泛实际应用。

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片。

背景技术

磁梯度张量为磁矢量在不同方向的变化率，由于磁梯度张量抗干扰能力强，且对于磁源体形态特征具有更高的分辨率和精度，因此可以较为直观地显示待测磁体的空间几何信息。由于磁梯度张量可以反应周围物体的梯度，因此具有十分广泛的应用前景。在地质勘探、未爆物定位、内窥镜医疗与残障人士避障导航等方面均有优秀的适用性。磁通门传感器是基于简单的变压器效应的矢量磁场传感器，具有更好的实用性与更为宽泛的使用范围，可以很好满足磁场张量的探测。因此价格低廉、运动噪声较小且结构简单的磁通门传感器不仅可以完成绝大部分磁探测任务且具有更高的商业价值。磁通门传感器也被广泛用于诸如地质勘探、未爆物定位、智慧医疗以及导航避障等应用之中。

传统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，然后在其上缠绕一个通过电流产生磁场的激励线圈，和一个在激励线圈诱发磁场基础上检测外部磁场效应的磁场感应线圈。传统磁通门传感器的尺寸较大、灵敏度低以及长期稳定性差等缺陷很大程度上限制了其实际应用。

微机电系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)技术是一种基于微电子技术的多学科交叉的全新研究领域。基于MEMS技术的产品拥有体积小、重量轻、成本低与可批量生产等诸多优点。同时更小的特征尺寸也使传感器设备更容易集成，实现一些传统磁通门传感器无法实现的功能。与传统磁通门传感器探头相比较，MEMS磁通门传感器探头结构紧凑，体积、质量小，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技术研制微型磁通门传感器成为国内外研究的热点之一。

经对现有技术的文献检索发现，Koch R.H.等(Koch R.H.,Keefe G.A.,Allen G.)在《科学仪器评审》(Review of Scientific Instruments,Vol.67(1),pp 230-235,1996)上发表了“Room temperature three sensor magnetic field gradiometer”(常温三传感器磁场梯度仪)一文。该文中写到，探头包括四个磁通门，其中三个磁通门带有反馈线圈，最后一个磁通门没有反馈线圈，将其作为参考磁通门，利用参考磁通门获得的磁场值进行电压电流转换，将转化后的电流作用在三个反馈线圈上形成反馈，最后通过带反馈线圈的磁通门获得磁梯度张量分量。这套系统测量的张量分量动态噪声水平可以达到0.14nT/m·Hz^1/2@1Hz。由于其尺寸较大且不易挪动。与MEMS技术相比，据此制造的磁通门传感器便携性很差，因此实用性较差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种微机电系统磁通门地磁张量传感芯片。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何基于MEMS制造工艺制作性能优秀且稳定性强的平面微机电系统磁通门传感器件阵列。