硅基微型磁通門(mén)傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、磁通門(mén)傳感器在靈敏度、溫度穩(wěn)定性、零位漂移等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)與飽和激勵(lì)方式使其體積和功耗偏大是亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)采用微加工工藝制備微型磁通門(mén)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，如何解決微型化對(duì)磁通門(mén)性能帶來(lái)的影響，成為微型磁通門(mén)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。微型化器件的應(yīng)用場(chǎng)合以及微型化器件本身的散熱條件決定了微型磁通門(mén)對(duì)低功耗有著更迫切的需求；采用正交激勵(lì)結(jié)構(gòu)可以在不增加激勵(lì)電流的情況下通過(guò)縮短鐵芯長(zhǎng)度增加磁通門(mén)的線(xiàn)性測(cè)量范圍，但微型正交激勵(lì)磁通門(mén)噪聲

2、過(guò)大、靈敏度過(guò)低；微工藝制備的軟磁鐵芯材料性能比塊材下降很多。針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題，本文通過(guò)改進(jìn)縮比結(jié)構(gòu)鐵芯，探索避免大漏磁的低功耗方法；通過(guò)改進(jìn)寬線(xiàn)性范圍微型正交激勵(lì)磁通門(mén)結(jié)構(gòu)，提高其靈敏度并降低噪聲；通過(guò)研究微型鐵芯的制備工藝探索更適合微型磁通門(mén)鐵芯的制備方法。
　　本文的主要工作及創(chuàng)新型研究成果如下：
　　1、提出了一種考慮了漏磁比的縮比結(jié)構(gòu)磁通門(mén)最佳激勵(lì)電流模型，在此模型的基礎(chǔ)上提出了一種能夠大幅降低微型磁通門(mén)功耗的多孔

3、鐵芯結(jié)構(gòu)。采用縮比結(jié)構(gòu)鐵芯可以降低磁通門(mén)激勵(lì)電流從而降低功耗，然而現(xiàn)有的縮比結(jié)構(gòu)最佳激勵(lì)電流模型無(wú)法考慮到漏磁的影響導(dǎo)致精度較差。本文在考慮了漏磁因子的基礎(chǔ)上提出了新的最佳激勵(lì)電流模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析，證明了新模型的準(zhǔn)確性。在此模型基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型縮比結(jié)構(gòu)——多孔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈鐵芯的縱向分段降低漏磁，通過(guò)橫向分段增加激勵(lì)線(xiàn)圈部分鐵芯的等效橫截面積，從而進(jìn)一步降低磁通門(mén)功耗。
　　2、提出了采用S型激勵(lì)

4、線(xiàn)和多根分段鐵芯結(jié)構(gòu)的微型正交激勵(lì)磁通門(mén)，采用這種結(jié)構(gòu)可以有效提高微型正交激勵(lì)磁通門(mén)靈敏度并降低噪聲。線(xiàn)-芯結(jié)構(gòu)微型正交激勵(lì)磁通門(mén)可以通過(guò)縮短鐵芯長(zhǎng)度的方法增加對(duì)外磁場(chǎng)的退磁，在不提高激勵(lì)電流的情況下達(dá)到增加測(cè)量線(xiàn)性范圍的目的。然而目前制備的微型正交激勵(lì)磁通門(mén)存在著靈敏度低、噪聲高等缺點(diǎn)。本文提出了一種采用分段鐵芯結(jié)合多鐵芯的方法實(shí)現(xiàn)磁通門(mén)靈敏度的提高和噪聲的降低。與現(xiàn)有的微型正交激勵(lì)磁通門(mén)相比較，采用多鐵芯陣列可提高靈敏度；采用分段鐵

5、芯取代縮短鐵芯長(zhǎng)度，在增加磁通門(mén)線(xiàn)性范圍的同時(shí)防止了由于感應(yīng)線(xiàn)圈匝數(shù)減小帶來(lái)的靈敏度降低；得益于靈敏度的提高，傳感器磁噪聲得到降低；同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)提高了傳感器輸入電阻，有利于降低磁通門(mén)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。對(duì)制備得到的微型正交激勵(lì)磁通門(mén)進(jìn)行了測(cè)試，與現(xiàn)有微型正交激勵(lì)磁通門(mén)相比較，在基本相同的激勵(lì)條件下，噪聲降低為1/3，靈敏度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，線(xiàn)性范圍基本不變。與現(xiàn)有的寬線(xiàn)性范圍微型正交激勵(lì)磁通門(mén)相比較，線(xiàn)性范圍增加一倍，靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)

6、，噪聲降低32％。
　　3、提出了適用于微型磁通門(mén)的薄膜鐵芯材料制備方法。目前進(jìn)行薄膜鐵芯材料研究時(shí)多追求更好的軟磁性能，而對(duì)采用這些薄膜鐵芯的磁通門(mén)性能的研究比較少見(jiàn)。本文針對(duì)Co77Fe2.5Mn1.4Mo2.1Si13B4非晶材料和NiFe合金材料，在研究如何通過(guò)改進(jìn)制備工藝得到更好軟磁性能的同時(shí)，進(jìn)一步研究了制備得到的薄膜作為磁通門(mén)鐵芯時(shí)磁通門(mén)的靈敏度、線(xiàn)性范圍、最佳激勵(lì)電流及噪聲性能。給出了不同性能需求條件下，微型磁通門(mén)

7、鐵芯制備方法的建議。
　　4、提出了一種適用于微型磁通門(mén)制備過(guò)程的聚酰亞胺低成本平坦化方法。微型磁通門(mén)工藝中常用的絕緣層/保護(hù)層為聚酰亞胺，其平坦化方法通常采用化學(xué)機(jī)械平坦化，而化學(xué)機(jī)械平坦化設(shè)備價(jià)格昂貴。本文通過(guò)對(duì)聚酰亞胺濕法刻蝕技術(shù)和線(xiàn)間填充技術(shù)的研究，提出了一種低成本平坦化方法。與微型磁通門(mén)制備過(guò)程中常用的反應(yīng)離子刻蝕法和化學(xué)機(jī)械平坦化方法相比較，這種方法僅需要進(jìn)行光刻和濕法刻蝕，降低了工藝成本。
　　本文的研究結(jié)合國(guó)