基于多孔軟磁薄膜的微型磁通門低功耗技術(shù)研究.pdf

1、磁通門傳感器作為一種綜合性能優(yōu)良的磁測量器件，近年來在地磁研究、石油測井、空間磁場探測、航空航天、微型衛(wèi)星、生物醫(yī)學(xué)、電流測量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而受自身結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，磁通門的體積和功耗偏大。采用微加工工藝制備的微型磁通門雖然成功縮減了器件的尺寸，但功耗未能隨之顯著降低，反而由于工作產(chǎn)生的熱量集中于小區(qū)域內(nèi)而導(dǎo)致散熱性差，對傳感器的熱穩(wěn)定性造成威脅，使微型磁通門對降低功耗的需求更加迫切。另外，因微加工工藝的引入，磁通門

2、的性能明顯下降，靈敏度偏低而噪聲過大。這些都是磁通門微型化過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文在分析現(xiàn)有微型磁通門的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鐵芯性能提升兩方面著手，提出了基于微米級多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門低功耗方法和納米級多孔軟磁薄膜的制備方法，對相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究。
　　本論文的主要創(chuàng)新性研究成果如下：
　?。?）提出了一種基于微米級多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門低功耗方法?，F(xiàn)有的縮比鐵芯結(jié)構(gòu)微型磁通門能夠通過降低激勵電流來減小功

3、耗，但同時會增大薄膜鐵芯的漏磁，使降低功耗的效果不夠明顯。本文提出了一種基于微米級多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門低功耗方法，采用多孔鐵芯結(jié)構(gòu)能夠降低漏磁并且增加激勵線圈內(nèi)鐵芯的有效橫截面積。由于孔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會影響多孔鐵芯的磁性能，本文通過研究孔的形狀、大小和分布等拓?fù)湟蛩貙Χ嗫阻F芯性能的影響以及對降低磁通門功耗的貢獻(xiàn)，進(jìn)行了多孔鐵芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在鐵芯制備過程中控制孔的拓?fù)鋮?shù)，獲得符合要求的多孔鐵芯微型磁通門。對制作的器件進(jìn)行測試，結(jié)果

4、顯示，多孔鐵芯采用六角形孔、5:1縮小比例和陣列式分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合微型磁通門的低功耗要求，同時還兼顧了靈敏度和 MEMS工藝的良品率。多孔鐵芯微型磁通門的整體性能優(yōu)于同樣工藝條件下制備的縮比鐵芯微型磁通門，多孔鐵芯微型磁通門相比縮比鐵芯微型磁通門，靈敏度提高了13％，功耗降低了40.4%。
　　（2）提出了一種基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的微米級多孔鐵芯微型磁通門最佳激勵電流估算方法。最佳激勵電流是決定磁通門功耗的重要指標(biāo)，在微型磁通門的低功

5、耗優(yōu)化中，可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來降低最佳激勵電流，減小功耗。分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微米級多孔鐵芯微型磁通門，如果全部采用有限元方法，需要針對不同的參數(shù)分別進(jìn)行建模仿真，占用資源多，計算時間長。本文對多孔鐵芯微型磁通門進(jìn)行一定的有限元分析，通過對數(shù)據(jù)的擬合計算，提出了基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳激勵電流估算方法。該方法可用于各種多孔鐵芯微型磁通門的最佳激勵電流快速估算，能夠節(jié)約大量的時間和資源，縮短優(yōu)化過程。
　　（3）提出了一種適用于制作納米級

6、多孔軟磁薄膜的硅基氧化鋁模板的制備方法?，F(xiàn)有的氧化鋁模板受機(jī)械強(qiáng)度和平整度的限制，無法用于納米級多孔軟磁薄膜的制作。本文提出了一種基于二次陽極化的硅基氧化鋁模板制備方法，對得到的氧化鋁薄膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征與厚度測量，結(jié)果表明，薄膜具有納米多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑大小和孔隙率滿足模板的要求，而且薄膜的厚度可控。在氧化鋁模板的制備過程中，孔徑大小和孔隙率可以通過改變制備條件加以調(diào)整，以適用于多種微結(jié)構(gòu)加工。完成的硅基氧化鋁模板可以用來制作納米級多孔

7、軟磁薄膜，模板的制備過程與現(xiàn)有微加工工藝兼容。
　?。?）提出了一種適合用作低功耗微型磁通門鐵芯的納米級多孔軟磁薄膜的制備方法。受微加工工藝的影響，微型磁通門軟磁薄膜鐵芯的性能亟待提高，本文從改善鐵芯微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，在兼容微加工工藝的前提下，提出了一種采用硅基多孔氧化鋁模板，通過二步復(fù)制得到納米級多孔軟磁薄膜鐵芯的制備方法。薄膜中的納米孔道結(jié)構(gòu)使晶粒分布均勻，磁晶各向異性降低，材料異常損失減少，同時納米孔的存在能充分釋放薄膜中的附加

8、應(yīng)力。對制備的軟磁薄膜進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，軟磁薄膜的矯頑力和飽和磁場強(qiáng)度得到有效降低，磁化性能明顯改善。以納米級多孔軟磁薄膜作為磁通門鐵芯，能夠減小最佳激勵電流，降低功耗，滿足微型磁通門提高性能的要求。
　　本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金課題“微型磁通門的低功耗技術(shù)研究（No.60874101）”和教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金課題“基于多孔軟磁薄膜的微型磁通門傳感器低功耗技術(shù)研究（No.20126102110031）”進(jìn)行研究，