基于微机电系统(MEMS)的磁通门传感器研究进展_许薇.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 95 基于微机电系统(MEMS)的磁通门传感器研究进展许薇1,2，邹旭东1,2，张志红 3，彭根斋 3，陈嘉民1,2(1.中国科学院 空天信息创新研究院 传感技术国家重点实验室，北京 100094；2.中国科学技术大学 微电子学院，安徽合肥 230026；3.西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000)摘要：磁通门传感器是由电磁感应效应衍生出来的一类主动式感应变压器，能够感应到外界微弱的直流或低频磁场，因为它在噪声、温度稳定性、磁场分辨率和灵敏度方面的优势，被广泛应用在了定位跟踪、航空航天、地磁探测和电流检测等领域。但现在，各类设备都朝着小型化发展，对磁通门质量、体积、功耗、集成度有了更高的要求，所以磁通门传感器的微型化研究十分必要。微机电(Micro-electro-mechanical System，MEMS)加工为此提供了技术基础。简要分析了磁通门传感器的基本原理，阐述了微型磁通门传感器工艺技术的发展历史，包括微加工技术、PCB技术和MEMS技术。重点总结了MEMS磁通门结构工艺的发展历程以及MEMS正交磁通门发展状况。介绍了MEMS磁通门在相应场合的应用优势与发展状况，并展望了此领域未来的研究重点。关键词：磁通门传感器；MEMS；磁测量；应用中图分类号：TH-39；TP212 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)02-0095-07DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.017著录格式：许薇,邹旭东,张志红,等.基于微机电系统(MEMS)的磁通门传感器研究进展J.磁性材料及器件,2023,54(2):95-101./XU Wei,ZOU Xu-dong,ZHANG Zhi-hong,et al.Research progress of fluxgate sensors based on MEMS J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):95-101.Research progress of fluxgate sensors based on MEMSXU Wei1,2,ZOU Xu-dong1,2,ZHANG Zhi-hong3,PENG Gen-zhai3,CHEN Jia-min1,21.State Key Laboratory of Transducer Technology,Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;2.School of Microelectronics,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;3.Southwest Institute of Applied Magnetics,Mianyang 621000,ChinaAbstract:As a kind of active induction transformer derived from electromagnetic induction effect fluxgate sensor can be used to sense weak DC or low-frequency magnetic fields.Because of its advantages in noise,temperature stability,magnetic field resolution and sensitivity,it has been widely used in the field of location tracking,aerospace,geomagnetic detection and current detection.But nowadays,all kinds of equipments comply with the trend of miniaturization,which requires the fluxgate sensor to show higher performance in quality,volume,power consumption and integration,so it is very necessary to study the miniaturization of fluxgate sensors.Micro-electro-mechanical System(MEMS)machining provides the technical basis for this.This paper briefly introduces the basic concept of fluxgate sensor,expounds the development history of MEMS fluxgate sensor manufacturing technology,including microfabrication process,PCB process,MEMS process.The development of MEMS fluxgate structure and MEMS orthogonal fluxgate are described.The application advantages and development status of MEMS fluxgate are introduced,and the future research emphases in this field are forecasted.Key words:fluxgate sensors;MEMS;magnetic measurement;applications收稿日期：2022-04-12 修回日期：2022-05-30基金项目：国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFB2011600);国家自然科学基金青年科学基金项目(61901440);北京市自然科学基金面上项目(4202080);国防基础科研计划项目(SK2020-013-2);中国科学院率先行动“百人计划”项目;中国科学技术协会青年人才托举工程项目(2021QNRC001)通讯作者：陈嘉民，男，博士，研究员，研究方向为微纳磁传感器 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 96 1 引言磁通门传感器被普遍认为是20世纪30年代德国科学家H Aschenbrenner和Goubau发明的1，是一类可以探测微弱低频或直流磁场的矢量式磁传感器。传统磁通门传感器因其在分辨率、温度稳定性、精度和灵敏度方面的优势，广泛应用于磁导航定位2-3、空间探测4-6、矿藏探测7-8、地磁探测9-11、电流检测12-13等领域。各种微型无人机、手持式设备、微型卫星、微型电流传感器、小型电子罗盘、生物医学等应用领域，对磁通门质量、体积、功耗以及集成度有了更高的要求。为了满足微型组件和系统的新兴应用，磁通门传感器的微型化研究成为了当前磁通门传感器的研究热点。2 磁通门原理与结构磁通门传感器是一类基于法拉第电磁感应定律的一种主动感应型变压器式器件。磁通门根据被测磁场方向与激励磁场方向的位置关系分为平行磁通门和正交磁通门两种。平行磁通门传感器主要由激励线圈、感应线圈和软磁磁芯构成。图1展示了一种常见的平行磁通门，其中黑色线圈是激励线圈，上下两侧线圈是反接的；红色线圈是感应线圈，上下两段线圈是顺接的；矩形部分是磁芯。给激励线圈通入有一定频率的激励电流提供激励磁场HE。上下两侧磁芯中由激励磁场HE引起的磁通密度变化BE相互对称，大小相同而方向相反。所以包裹磁芯的感应线圈内部的激励磁通变化可以被相互抵消，此时若是外界磁场，则感应线圈上的电压为0。但当外界磁场HM0时，外界磁场在磁芯中所引起的磁通方向相同，那么感应线圈内磁通变化是叠加的，感应线圈两端的电压仅与外界磁场有关，是由与外界磁场相关的偶次谐波信号构成，通过处理便能得到外界磁场信息。与平行磁通门不同的是，正交磁通门仅由感应线圈和软磁磁芯组成，其结构如图2所示。给磁芯通入交流电流，会将磁芯反复饱和磁化，产生围绕磁芯的环形磁场。此时，若外界磁场HM0，感应线圈中的磁通就会改变，其两端会有包含外界磁场信息的电势差。3 磁通门微型化历程微型磁通门的概念早在上个世纪六七十年代就已经提出，但限于加工工艺等原因，进展缓慢14。这主要是因为磁通门传感器的微型化需要克服两个关键问题：线圈的微型化和磁芯的集成15。近20年来，随着加工工艺的进步，微型磁通门愈发成为了一个备受关注的课题，其研究内容涵盖了微型结构设计、工艺设计、磁通门材料、信号分析与处理等多个领域，制作方式也从早期硅微加工工艺、PCB工艺发展到如今的MEMS工艺，研究者们已经初步实现了线圈的微型化和磁芯的集成。如何进一步将磁通门传感器微型化、提高微型化磁通门的性能，是磁通门研究者们不断追求的一个目标。3.1 微加工磁通门1990年，Seitz16首次利用硅微加工技术制作了磁通门的部分结构，限于当时的技术，仅加工出了薄磁芯与感应线圈，并没能加工出激励线圈。随后，Kawahito等人17利用电镀工艺加工出了薄磁芯层，并利用微加工工艺成功制作了激励线圈与感应线圈。1994年，他们在硅片上成功加工出了磁通门，这是第一次真正意义上实现了微型磁通门，当通入峰-峰值为130 mA、频率100 kHz激励电流时，其灵敏度仅为5.8 V/T18。1996年，Choi等人19利用E/DMOS工艺制作的磁通门传感器，当采用峰-峰值为110 mA、610 kHz的电流激励时，传感器的灵敏度为90 V/T。值得一提的是，该芯片尺寸只有5.1 mm5.1 mm，其中传感器的尺寸仅 4.2 mm2.1 mm。同年，Kawahito等人20利用激励线圈与感应线图1 平行磁通门P感应线圈IEHEHM 图2 正交磁通门结构许薇等：基于微机电系统（MEMS）的磁通门传感器研究进展 97 圈之间的合理耦合，优化了微型磁通门的结构。在通入峰-峰值为100 mA、3 MHz激励电流时，灵敏度提升到了2700 V/T。之后，Gottfried等人21利用部分CMOS技术制作了磁通门传感器，灵敏度达到9200 V/T，测量范围90 T，噪声30 nT/Hz(均方根值)，功耗为 160 mW，传感器面积 1.5 mm1 mm。1999年，Liakopoulos等人22首次将光刻技术引入微型磁通门加工中，制作了三维长方形环型磁芯。该磁通门探头的各项性能跟以往微加工磁通门探头相比有了很大的提升，它的测量范围为500 T，灵敏度最高可达 8360 V/T，分辨率为 60 nT，功率降低至100 mW且芯片尺寸只有5 mm2.5 mm100 m。2001年，Pavel Ripka等人23提出了一种对称磁芯磁通门传感器结构，这种对称结构能够有效地降低磁滞效应对于磁场测量的影响，将测量的噪声(均方根值)降低至了27 nT/Hz(10 mHz10 Hz)，同时退磁误差被降低至了2.5 T，而在此之前，常规的单芯磁通门退磁误差往往有30 T。但是这款磁通门测量得到的灵敏度仅有22.5 V/T。随后的5年内又陆续涌现出一批利用微加工技术制作的微型磁通门，主要区别在于所采用的磁芯材料或者磁芯形状差异引起的传感器性能的不同。值得一提的是，随着磁芯变小，传感器变小，激励频率越来越高。Pavel Ripka等人24在2001年利用微加工技术制作微型磁通门，研究微型磁通门对脉冲激励信号的响应，在采用频率为500 kHz、峰-峰值180 mA脉冲激励时，测得传感器噪声为20 nT(均方根值)，灵敏度为6