一种三轴磁通门传感器的制作方法

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种三轴磁通门传感器，用于测量弱磁场。

背景技术：

磁通门传感器作为一种传统的弱磁场检测器件，一直有着其独特的优势而无法为其他磁场传感器所取代，近年来更是不断在新的领域发现其应用潜力，例如小型移动设备GPS定位、导弹惯性制导、小卫星方位姿态控制、虚拟现实空间内的动作检测等。近年来，由于各种场的应用逐渐地扩展，对于器件的要求趋向于更薄、更轻、更便宜。相应地，磁通门传感器也试图变得更薄、更轻、更便宜。

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。这使得传统磁通门传感器的尺寸大、重量高、灵敏度低以及长期稳定性差。MEMS技术的发展为微型化磁通门传感器的研制提供了一条有效可靠的途径。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开发的热点。

经对现有技术的文献检索发现，J.Kubik等(J.Vcelak、T.ODonnell and P.McCloskey)在《Sensors and Actuators A:Physical》(传感器与执行器A：物理)Vol.152,pp139-145,2009上发表了“Triaxial fluxgate sensor with electroplated core”(使用电沉积磁芯的三轴磁通门传感器)一文。该文提及了一个由多层印刷电路板技术开发的微型三轴磁通门传感器，磁芯为矩形结构，采用的是25微米厚的电沉积坡莫合金薄膜，激励线圈和检测线圈为4层平面螺旋线圈结构，在50kHz下磁通门传感器各轴的灵敏度分别是现在x轴-90V/T、y轴-112V/T和z轴-198V/T，轴间灵敏度误差很大。由于制作过程中需要打出通孔来实现磁芯的上下连通，传感器可能会在通孔过程中被损坏。另外，与MEMS技术相比，根据这种方法磁通门传感器的性能很差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种微机电系统三轴磁通门传感器，无需通过打孔连通磁芯，保证三轴磁通门传感器在制造过程中的完整性。

技术实现要素：

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制造工艺制作三轴磁通门传感器以及如何保证轴间灵敏度的误差在可以接受的范围内。

为了实现上述目的，本发明提供一种三轴磁通门传感器，包括x-y双轴平面磁通门传感器芯片和z轴向单轴平面磁通门传感器芯片，其中所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片包含在同一硅衬底上两个正交分布的单立的单轴平面磁通门传感器单元，所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片与x-y双轴平面磁通门传感器芯片上的单轴平面磁通门传感器单元具有相同的结构，所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的短轴端的侧面键合固定在所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的硅衬底表面上，使所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的磁敏感轴垂直正交于所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的x、y轴向磁敏感轴。

进一步地，所述单轴平面磁通门传感器单元包含硅衬底、激励线圈、检测线圈、磁芯、电极和聚酰亚胺薄膜。

进一步地，所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的单轴平面磁通门传感器单元的形状为矩形，所述单轴平面磁通门传感器单元的磁敏感轴方向与所述单轴平面磁通门传感器单元的长轴平行，x分量传感器单元和y分量传感器单元在所述硅衬底上呈90度排列分布，且所述x分量传感器单元和所述y分量传感器单元的结构参数完全一致。

进一步地，所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的单轴平面磁通门传感器单元采用微机电系统工艺集成制备，x分量传感器单元和y分量传感器单元在硅衬底上同步制造。

进一步地，所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的单轴平面磁通门传感器单元的激励线圈和检测线圈均为微机电三维螺线管线圈结构，所述三维螺线管线圈结构由顶层线圈与底层线圈通过连接导体在通电导线两端端头连通形成，衬底、底层线圈、磁芯与顶层线圈之间均通过聚酰亚胺薄膜绝缘，电极通过聚酰亚胺薄膜上的通孔露出；线圈导线材料为电铸铜。

进一步地，所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的单轴平面磁通门传感器单元的磁芯形状为矩形，材料为电沉积坡莫合金薄膜。

进一步地，所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的玻璃衬底厚度为3毫米。

进一步地，所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的形状为矩形，磁敏感轴方向与所述单轴平面磁通门传感器单元的长轴平行，垂直于所述单轴平面磁通门传感器单元的短轴，且与所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片上下表面平行。

进一步地，所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的上下表面与侧面均保持90度正交。

进一步地，所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的单轴平面磁通门传感器单元的尺寸为长度10毫米，宽度5毫米，厚度0.2毫米；所述z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的尺寸为长度10毫米，宽度5毫米，厚度3.2毫米；所述x-y双轴平面磁通门传感器芯片的硅衬底厚度为0.5毫米。

本发明的准集成三轴磁通门传感器与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用硅-玻璃键合技术在x-y双轴平面磁通门传感器芯片上直接键合固定z轴向单轴平面磁通门传感器芯片构建三轴磁通门传感器，与传统商业三轴磁通门传感器使用三维骨架作为支撑粘贴磁芯然后缠绕铜线的制造方式相比，无需骨架或者基座，无需定位对准和安装调试，不仅大大缩短了三轴磁通门传感器的尺寸、重量和制造周期，降低了制造的技术复杂度，而且减小了三轴磁通门传感器的轴间正交误差，可实现三轴磁通门传感器的批量生产降低应用成本。

(2)本发明采用采用硅-玻璃键合技术在x-y双轴平面磁通门传感器芯片上直接键合固定z轴向单轴平面磁通门传感器芯片构建三轴磁通门传感器，三轴磁通门传感器的尺寸可随着使用的微机电系统单轴磁通门传感器芯片尺寸的缩小而减小，从而可满足更多便携式、微型化应用领域的应用需求，如手机、无人机、微纳卫星等。

(3)本发明采用微机电系统平面单轴磁通门传感器作为三轴磁通门传感器的矢量磁探测单元，微机电系统平面单轴磁通门传感器采用MEMS技术制造，与传统磁通门传感器相比稳定性好，一致性高，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响，可有效减小三轴磁通门传感器的刻度因子误差，增强了三轴磁通门传感器的性能。

(4)本发明采用微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁探测单元，可有效降低三轴磁通门传感器的噪声和能耗，提高了信号响应速度，有力提高了三轴磁通门传感器的使用性能。

(5)本发明采用微机电系统单轴磁通门传感器芯片作为三轴磁通门传感器的矢量磁探测单元，其工艺过程与大规模集成电路工艺完全兼容，可直接与接口电路集成制造，从而提供更多磁测量功能适应不同应用领域需求，例如飞机、导弹和车辆的定位，虚拟现实空间内的动作检测，对HDTV的地磁补偿和点噪声补偿，小卫星方位姿态控制等。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的准集成三轴磁通门传感器结构图；

图2是本发明使用的单轴平面磁通门传感器单元的结构示意图；

图3是x-y双轴平面磁通门传感器芯片沿图2所示A-A线的剖面图；

图4是z轴向单轴平面磁通门传感器芯片沿图2所示A-A线的剖面图；

图中：1为x-y双轴平面磁通门传感器芯片，2为z轴向单轴平面磁通门传感器芯片，3为单轴平面磁通门传感器单元，4为硅衬底，5为玻璃衬底，6为激励线圈，7为检测线圈，8为磁芯，9为电极，10为聚酰亚胺薄膜，11为底层线圈，12为顶层线圈，13为连接导体。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1-4所示，本发明的准集成三轴磁通门传感器包括一个x-y双轴平面磁通门传感器芯片1、一个z轴向单轴平面磁通门传感器芯片2；其中x-y双轴平面磁通门传感器芯片1包含在同一个0.5mm厚度的硅衬底4上两个正交分布的单立的10mm*5mm*0.2mm大小的单轴平面磁通门传感器单元3，单轴平面磁通门传感器单元包含硅衬底4、激励线圈6、检测线圈7、磁芯8、电极9和聚酰亚胺薄膜10。10mm*5mm*3.2mm大小的z轴向单轴平面磁通门传感器芯片2与x-y双轴平面磁通门传感器芯片1上的单轴平面磁通门传感器单元具有相同的结构，且制作工艺流程相同，仅衬底材料采用3mm大厚度玻璃衬底5。利用硅-玻璃键合技术，将z轴向单轴平面磁通门传感器芯片短轴端的侧面键合固定在x-y双轴平面磁通门传感器芯片硅衬底表面上，使z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的磁敏感轴垂直正交于x-y双轴平面磁通门传感器芯片的x、y取向磁敏感轴，从而实现磁场的x、y、z正交性三分量探测。

工作时，向微机电系统单轴磁通门传感器芯片的激励线圈6通一正弦交流电使磁芯7处于饱和状态。没有外部磁场时，由于差分效应，检测线圈7没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，检测线圈7会有输出信号，信号为偶次谐波，经滤波后可得到二次谐波信号。二次谐波信号大小与外部磁场成正比。x-y双轴平面磁通门传感器芯片1和z轴向单轴平面磁通门传感器芯片2分别输出沿磁敏感轴相关的磁场x、y、z分量值，因此可测量外部磁场的大小和方向。

本实施例中，硅衬底4材料为高阻硅，玻璃衬底5材料为高透光率光学玻璃。

本实施例中，微机电系统单轴磁通门传感器单元采用微机电系统工艺集成制备。磁芯8为矩形电沉积坡莫合金薄膜磁芯，厚度为20μm，宽度为1mm。激励线圈6和检测线圈7均为微机电三维螺线管线圈结构，该三维螺线管线圈结构由底层线圈11与顶层线圈12通过连接导体13在通电导线两端端头连通形成。三维螺线管线圈的材料为电铸铜，且三维螺线管线圈中每匝导体的线宽为50μm，厚度为20μm，各匝之间间隙为50μm。激励线圈匝数为40匝，检测线圈匝数为30匝。

本实施例所述的准集成三轴磁通门传感器，其为基于MEMS技术的低噪声微型三轴磁通门传感器，能精确检测磁场。本发明采用一个x-y双轴平面磁通门传感器芯片和一个z轴向单轴平面磁通门传感器芯片，通过硅-玻璃键合技术将将z轴向单轴平面磁通门传感器芯片短轴端的侧面键合固定在x-y双轴平面磁通门传感器芯片硅衬底表面上，形成微型三轴磁通门传感器，传感器具有易于批量制造、成本低、体积小、重量轻、灵敏度高、噪声低以及能耗低的特点。其中，利用基于标准MEMS制造工艺流程批量生产的微机电系统单轴磁通门传感器作为x-y双轴平面磁通门传感器芯片和z轴向单轴平面磁通门传感器芯片的磁感应单元，三轴各单元的灵敏度系数和零偏完全一致；采用集成的x-y双轴平面磁通门传感器保证了三轴磁通门传感器的x轴和y轴磁探测分量之间的正交度；采用精密切割抛光和硅-玻璃键合保证了三轴磁通门传感器的z轴磁探测分量和x轴、y轴磁探测分量之间的正交度；这样极大减小了三轴磁通门传感器制备过程中产生的安装正交误差，且无需安装基座或骨架；有效解决了现有三轴磁通门传感器体积大、重量高、调试难度大，正交误差、刻度因子误差和零偏误差大，良品率低且成本昂贵的问题，提高了生产效率，降低了三轴磁通门传感器的误差和能耗，提高了信号响应速度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。