一种基于立体结构铁芯的微型磁通门传感器的制作方法

本发明涉及一种磁通门传感器，特别是涉及一种采用微机电技术（mems）制备的微型磁通门传感器。

背景技术：

磁通门传感器（以下简称为磁通门）是一种综合性能很好的弱磁测量传感器，具有分辨率高、温度稳定性好和剩磁误差小的特点，其中正交磁通门结构简单，线性测量范围大，但存在灵敏度低、制造成本高的问题。

文献“国际公布号是wo2007010378的专利”公开了一种集成的正交磁通门磁场传感器。铁芯材料采用覆层的形式围绕励磁杆，激励线、铁芯和感应线圈以沉积和图案化形成的多层的方式堆积于衬底上。感应线圈采用至少两层平面螺线结构，位于铁芯覆层的纵向末端附近。通过改变激励线和铁芯覆层结构的长度调节磁通门的线性测量范围，通过增加感应线圈的层数来提高磁通门的灵敏度，通过采用集成电路电路层堆积工艺降低制造成本。

然而，文献所述的正交磁通门使用改变结构长度的方式增大测量范围，会引起磁通门灵敏度的下降；平面螺线结构的感应线圈效率不高；通过增加感应线圈层数来提高灵敏度的方法增加了制作复杂度和制造成本；使用集成电路电路层堆积工艺制作的铁芯截面积小，不利于传感器灵敏度的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型化、高灵敏度且易与集成电路相集成的微型磁通门传感器。本发明所公开的磁通门使用三层立体结构铁芯，上层和下层为矩形，中间层为阵列柱结构连接上下层；激励线呈由多条直线段首尾相连组成的折线形结构，在中间层的阵列柱结构中绕行；感应线圈呈三维螺线管结构垂直铁芯长边缠绕，三维螺线管线圈的上下层之间的连通部分由一个连接导体组成；骨架使用硅片作为基底制作，用于承载铁芯、激励线、感应线圈、焊盘；激励线和感应线圈均由设置在传感器两端的焊盘引出。

本发明所公开的磁通门采用立体铁芯结构，性能优良；折线形的激励线布设在立体铁芯中间层的阵列柱之间，被三层立体铁芯所包裹，有利于促进铁芯的均匀饱和，起到降低激励电流的目的；感应线圈采用三维螺线管结构保证了磁场耦合的紧密，降低了漏磁，提高了激励电流的效率。与现有技术中的微型磁通门相比较，采用立体铁芯结构使得铁芯能够在更小的电流下达到饱和，传感器的功耗得到大幅降低，而传感器的体积不会发生明显变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明包含铁芯中间层1、铁芯上层2、铁芯下层3、激励线4、激励线引线焊盘5、感应线圈6、感应线圈引线焊盘7、衬底8和绝缘层9。铁芯采用软磁材料，中间层1采用阵列柱结构，铁芯上层2和铁芯下层3均为矩形结构，由铁芯中间层1负责连接铁芯上层2和铁芯下层3，共同构成立体铁芯；激励线4由多条直线段首尾相连组成折线结构，在铁芯中间层1的阵列柱结构中曲折绕行，被夹在铁芯上层2和铁芯下层3之间；感应线圈6使用三维螺线管结构直接缠绕在立体铁芯的外部；激励线4和感应线圈6分别连接至激励线引线焊盘5和感应线圈引线焊盘7；使用带有二氧化硅绝缘层的硅片作为衬底，用以支撑整个传感器的结构。

所述的激励线4采用由多条直线段首尾相连组成的折线结构，其中直线段部分截面积尺寸一致，两端作为引线接口，用于连接外部电路。

所述的铁芯中间层1采用阵列柱的数量和尺寸可根据研究时不同的外部参数要求进行调整。

所述的绝缘层是聚酰亚胺保护膜，铁芯、激励线和感应线圈均由聚酰亚胺保护膜绝缘，并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离。

所述的激励线、激励线引线焊盘、感应线圈、感应线圈引线焊盘的材料为cu。

所述的铁芯材料为电镀的坡莫合金材料（ni0.8fe0.2）。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

（1）本发明采用三层立体结构铁芯配合折线形激励线替代现有技术在励磁杆上进行覆层的形式，促进了铁芯的均匀饱和，降低了激励信号的功率，减小了磁通门的功耗；

（2）感应线圈采用三维螺线管结构保证了磁场耦合的紧密，降低了漏磁，提高了激励电流的效率，降低了传感器的噪声；

（3）本发明大量采用如紫外光刻、电镀、湿法刻蚀等低成本mems工艺，在保证与集成电路很好集成的前提下降低成本，易于标准化大批量生产。

附图说明：

图1为本发明实施例的铁芯下层、铁芯中间层与激励线的顶视图。

图2为图1的a-a剖面示意图。

图3为本发明实施例的整体顶视半剖结构示意图。图中剖去一部分感应线圈上层和一部分铁芯上层。

图4为图3a-a剖面示意图。

图5为图3b-b剖面示意图。

图6为图3中感应线圈结构的顶视图。

图7为实施例制备过程示意图。

图1、2、3、4、5、6中：1-铁芯中间层，2-铁芯上层，3-铁芯下层，4-激励线，5-激励线引线焊盘，6-感应线圈，7-感应线圈引线焊盘，8-衬底，9-聚酰亚胺绝缘层。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如附图1、2、3、4、5、6所示，本实施例中的立体铁芯结构微型磁通门传感器包括铁芯中间层1、铁芯上层2、铁芯下层3、激励线4、激励线引线焊盘5、感应线圈6、感应线圈引线焊盘7、衬底8和聚酰亚胺绝缘层9。立体铁芯由铁芯中间层1、铁芯上层2、铁芯下层3这三层结构组成，中间层1采用阵列柱结构，铁芯上层2和铁芯下层3均为矩形结构，由铁芯中间层1负责连接铁芯上层2和铁芯下层3，共同构成立体铁芯；激励线4由多条直线段首尾相连组成折线结构，在铁芯中间层1的阵列柱结构中曲折绕行，被夹在铁芯上层2和铁芯下层3之间；感应线圈6使用三维螺线管结构，垂直于铁芯长边缠绕在立体铁芯的外部；激励线4和感应线圈6分别连接至衬底上的激励线引线焊盘5和感应线圈引线焊盘7；使用带有二氧化硅绝缘层的硅片作为衬底8，用以支撑整个传感器的结构；铁芯、激励线和感应线圈均由聚酰亚胺绝缘层9绝缘，并完全包覆固定为一个整体，与空气隔离，传感器表面仅露出激励线引线焊盘5和感应线圈引线焊盘7。

激励线、感应线圈、铁芯均由磁控溅射、紫外光刻、微电镀，精密抛光和湿法刻蚀五个步骤完成。聚酰亚胺绝缘层通过旋涂、预亚胺化、紫外光刻、湿法刻蚀、亚胺化四个步骤完成。

参照附图7具体分步制作过程如下：

1)选用晶向为（100）厚度为250µm硅片作为衬底8，利用硫酸加双氧水（4:1）去除硅片上的有机污染物，然后用去离子水（di）超声波清洗去除衬底表面杂质；

2)在硅质衬底上通过热氧化生长300nm厚度的sio2绝缘层；

3)采用磁控溅射溅射100nm厚度的cu种子层；

4)利用电镀工艺，结合感应线圈底层掩膜板电镀制备感应线圈6的下层cu导线，结合感应线圈引线焊盘掩膜板电镀制备感应线圈引线焊盘7；

5)通过湿法刻蚀去除cu电镀种子层；

6)通过精确控制的旋涂，在感应线圈下层导线中间填充pi（聚酰亚胺）；

7)旋涂聚酰亚胺绝缘层9，阶段升温亚胺化pi；

8)采用精密抛光工艺，使表面平整、均匀；

9)离子束轰击pi表面，磁控溅射100nm厚度的cu种子层；

10)利用电镀工艺，结合铁芯下层掩膜板制备铁芯下层3；

11)利用电镀工艺，结合铁芯中间层掩膜板制备铁芯中间层1；

12)利用电镀工艺，结合激励线掩膜板制备激励线4；

13)利用电镀工艺，结合激励线引线焊盘掩膜板制备激励线引线焊盘5；

14)利用电镀工艺，结合铁芯上层掩膜板制备铁芯上层2；

15)通过精确控制的旋涂，旋涂聚酰亚胺绝缘层9，阶段升温亚胺化pi；

16)采用精密抛光工艺，使表面平整、均匀，结合过孔掩膜板和焊盘掩膜板，湿法刻蚀出用于上下层连通的通孔，并露出焊盘；

17)利用电镀工艺，结合过孔掩膜板制备连接感应线圈上下层的线圈立柱；

18)采用磁控溅射溅射100nm厚度的cu种子层；

19)利用电镀工艺，结合感应线圈上层掩膜板制备感应线圈6的上层cu导线；

20)旋涂聚酰亚胺绝缘层，湿法刻蚀pi使感应线圈焊盘7和激励线引线焊盘5露出。

本实施例中，所述的激励线4和感应线圈6为电镀铜，感应线圈共34匝，每匝线宽为50μm，厚度为30μm，各匝之间的间隙为50μm，激励线宽度为80μm，厚度为30μm。

本实施例中，所述的连接感应线圈上下层的线圈立柱为电镀铜，空间形状为四棱柱体，横截面为50μm×80μm的矩形，高度为100μm。

本实施例中，所述的铁芯材料为坡莫合金材料，铁芯上层与铁芯下层的形状为4500μm×2000μm的矩形，厚度为15μm，铁芯中间层为8×3的阵列柱，每个柱子的空间形状为四棱柱体，横截面200μm×200μm，高度为30μm。