专利名称：集成在印刷电路板中的磁通闸门传感器及其制造方法
技术领域：
本发明总的涉及一种磁通闸门传感器，尤其涉及一种集成在印刷电路板中的磁通闸门传感器及其制造方法。本申请是基于2002年3月13日提交的韩国专利申请No2002-13524，该申请在此引为参考。
背景技术：
磁能的存在已经通过各种物理现象得到证实，并且磁通闸门传感器使得人体能够间接地感觉到磁能，因为人体的感应器官如眼睛和耳朵是不能感觉磁能的。至于磁通闸门传感器，长期以来使用采取软磁线圈的磁传感器。磁传感器通过绕一个由软磁条形成的相对较大的棒状芯或环状芯缠绕线圈而制成。另外，还采用一个电路以获得与所测磁场成比例的磁场。
但是常规的磁通闸门传感器有下列问题。即，由于常规磁通闸门传感器的结构是将线圈缠绕在由软磁条形成的较大的棒状芯或环状芯上，所以制造成本很高，并且整个系统的体积较大。另外，由于激励线圈和探测到的磁场，磁通量变化中磁通量的泄漏是不可避免的。因此，不能保证很高的灵敏度。
发明内容
本发明克服了上述现有技术中的问题。因此，本发明的目的是提供一种集成在印刷电路板中的高灵敏度的磁通闸门传感器及其制造方法，本发明的磁通闸门传感器不仅能够减小系统的总体积，而且还能够以更高的精度探测磁场。
本发明的另一个目的在于当外磁场测得为零(0)时，防止磁通量变化探测线圈中的感应波。
上述目的通过本发明的磁通闸门传感器实现，本发明的磁通闸门传感器包括一个形成在印刷电路板上的软磁芯，从而形成一条闭合的磁路；一个激励线圈，形成为一个缠绕软磁芯的金属膜；和一个成为形成在激励线圈上的金属膜的拾取线圈，缠绕软磁芯。
软磁芯形成为两条，以平行的关系放置在同一平面上。磁芯条的放置位置使得磁心条的长度处于磁场的探测方向。或者，软磁芯也可以形成为一个矩形环。与条形软磁芯一样，矩形环型芯也放置成其长度处于磁场的探测方向。
激励线圈具有一种基本上以数字“8”的图案交替缠绕两个条形软磁芯的结构。或者，激励线圈也可以有一种基本以螺线管图案分别缠绕两个条形软磁芯的结构。
当软磁芯形成为矩形环时，激励线圈可以基本上以数字“8”的图案一起或分别在磁场的探测方向交替缠绕矩形环型软磁芯的两条长边。
激励线圈可以在探测磁场的方向上一起并基本上以数字“8”的图案在缠绕两个条形软磁芯或矩形环型软磁芯的两条长边，或者以螺线管的图案分别缠绕两个条形软磁芯或矩形环型软磁芯的两条长边，并且拾取线圈安置在此激励线圈上，具有一种缠绕两个条形软磁芯或矩形环型软磁芯的两条长边并基本上为螺线管图案的结构。或者，激励线圈可以在磁场探测方向并以数字“8”的图案将两个条形软磁芯或矩形环型软磁芯的两条长边缠绕在一起，或以螺线管图案分别缠绕矩形环型软磁芯两条长边的两个条形软磁芯，而拾取线圈有一种安置在此激励线圈上的结构，并有一种分别缠绕两个条形软磁芯或矩形环型软磁芯的两条长边的结构，基本上为螺线管图案。
上述目的也通过本发明的磁通闸门传感器的制造方法实现，包括步骤在第一金属片上粘贴一个半固化片和一个软磁性膜；通过蚀刻软磁性膜形成一个软磁芯；通过在软磁芯的上部粘合半固化片和第二金属片而形成一个第一基底；在第一基底中远离软磁芯一边及另一边的位置处形成第一穿孔；给第一穿孔电镀金属；通过蚀刻在基底的两个表面上形成一个激励线圈；通过在激励线圈的两部分附上粘结半固化片和第三金属片而形成第二基底；在第二基底中对应于第一穿孔形成第二穿孔；给第二穿孔电镀金属；通过蚀刻第二基底的两个表面而形成一个拾取线圈；通过在拾取线圈的两部分上粘结半固化片和第四金属片形成第三基底；和通过蚀刻第三基底的两个表面而形成一个导电性的衬垫。
最好进一步提供这样一个步骤在形成组件之前，利用感光油漆和曝光对磁通闸门传感器的各个组件形成一种图案。还提供用金电镀衬垫的步骤。
根据本发明，通过沿探测方向形成一个软磁芯，可以减小反磁特性，同时由于拾取线圈安置在缠绕于软磁芯的激励线圈上的这一结构，在磁通量变化探测线圈中没有感应波。
下面通过参考附图对本发明有效实施例的描述，本发明的上述目的和特点将变得更加清楚，其中图1是本发明第一实施例的磁通闸门传感器的典型示意图；图2A至2F是图1所示磁通闸门传感器的工作波形图；图3A至3M是沿图1中I-I线的截面图，示出了磁通闸门传感器的制造工艺；图4A是平行分布在同一平面上的两个条形软磁芯、以及基本上以数字“8”的图案将两个条形软磁芯缠绕在一起的联体结构的激励线圈平面图；图4B是基本上以螺线管图案形成在图4A所示的两个条形软磁芯上的拾取线圈的平面图；图4C是分布在同一平面上的矩形环状软磁芯以及缠绕矩形环型软磁芯的联体结构的激励线圈的平面图；图4D是基本上以螺线管图案形成在图4C所示矩形环型软磁芯上的拾取线圈的平面图；图5是集成在根据本发明第二优选实施例的印刷电路板中的磁通闸门传感器示意图；图6A分别是平行放置在同一平面上的两个条形软磁芯和缠绕两个条形软磁芯的分体结构的激励线圈的平面图；图6B是表示基本上以螺线图案缠绕图6A所示两个条形软磁芯的拾取线圈的平面图；图6C是分别放置在同一平面上的矩形环型软磁芯以及缠绕矩形环型软磁芯的两个长边的分体结构的激励线圈的平面图；和图6D是表示基本上以螺线管图案缠绕图6所示矩形环型软磁芯的两个长边的拾取线圈的平面图。
具体实施例方式
现在将参考附图对本发明做详细的描述。
图1是表示根据本发明第一优选实施例的印刷电路板集成到的磁通闸门传感器视图。磁通闸门传感器有一个第一和第二条形软磁芯1和2，激励线圈3基本上以数字“8”的图案缠绕在第一和第二条形软磁芯1和2上，拾取线圈4缠绕在激励线圈3、第一和第二条形软磁芯1和2上。
以下将把线圈以数字“8”的图案将两个条形软磁芯缠绕在一起的缠绕结构称作“联体结构”。根据本发明第二优选实施例的矩形环型软磁芯上的相同缠绕结构也称作“联体结构”。同时，有一个分别缠绕到两个条形软磁芯或分别缠绕到矩形环型软磁芯的两条长边的线圈的缠绕结构称作“分体结构”。
图2A至2F是解释图1所示磁通闸门传感器的工作的计时图。图2A是第一软磁芯1产生的磁场波形，图2B是第二软磁芯2产生的磁场波形，图2C是第一软磁芯1产生的磁通量密度波形，图2D是第二软磁芯2产生的磁通量密度波形，图2E和2F是分别表示在拾取线圈中感应的第一和第二感应电压Vind1和Vind2的波形，以及第一和第二感应电压之和Vind1+Vind2。
在以数字“8”的图案将第一和第二条形软磁芯1和2缠绕在一起的激励线圈3以及供给激励电流AC的情况下，在第一条形软磁芯1处的内磁场(Hext+Hexc)和磁通量密度(Bext+Bexc)与在第二条形软磁芯2处的内磁场(Hext-Hexc)和磁通量密度(Bext-Bexc)方向相反(见图2A，2B，2C，2D)。此处，Hext是外磁场，Hexc是激励线圈的磁场，Bext是外磁场的磁通量密度，Bexc是激励线圈的磁通量密度。缠绕拾取线圈4以获得第一和第二条形软磁芯1和2每个产生的磁通量之和，并探测AC激励电流的电子感应的磁通量变化。因为第一和第二条形软磁芯1和2的内磁场处于相反方向，所以在拾取线圈4探测到的感应电压是两个对称产生的感应电压Vind1和Vind2的偏差的结果(图2F)。更具体地说，因为在相同的方向上对第一和第二条形软磁芯1和2施加外磁场Hext，所以第一和第二芯1和2的内磁场为Hext+Hexc和Hext-Hexc。此时，如图2E所示，在拾取线圈4处感生电压Vind1和Vind2，并且通过探测此感应电压Vind1和Vind2之和而获得外磁场Hext的大小。
从上面的叙述可以知道，关于集成在印刷电路板中的磁通闸门传感器的结构，最重要的是有一种激励线圈3和拾取线圈4的适当的粘结结构以得到第一和第二条形软磁芯1和2中的磁通量变化之和，其中激励线圈3具有数字“8”图案的联体结构，拾取线圈4以螺线管图案缠绕第一和第二条形软磁芯1和2。此处，拾取线圈4也可以形成在激励线圈3上，单独缠绕第一和第二条形软磁芯1和2。这是因为上述磁通闸门传感器的结构通过在第一和第二条形软磁芯1和2处形成一条闭合磁路的激励线圈产生的磁通量抵消了在不存在外磁场的情况下第一和第二条形软磁芯1和2产生的磁场的感应波。
同时，图1的软磁芯可以采取矩形环的形式。这样可以具备与条形软磁芯相同的优点，具有激励线圈以数字“8”的图案缠绕矩形环型软磁芯的两条长边、拾取线圈以螺线管图案缠绕两条长边的结构。或者，拾取线圈可以分别缠绕到矩形环的两条长边上。
磁场的探测也可以通过分布有激励线圈和拾取线圈的单个条形软磁芯结构进行。但是这种情况需要对探测线圈的输出信号进行更复杂的处理，如放大和滤波，因为甚至在不存在外磁场的情况下也会有较大的激励线圈在探测线圈处产生感应电压波。因此，利用两个条形软磁芯或单个矩形环型芯将提供更多的益处，尤其就信号处理的需求而言。
图3A至3M是图1中I-I线的截面图，表示在印刷电路板中安置磁通闸门传感器的过程。
首先，在第一铜箔21上粘结一个半固化片22和一个软磁性膜24(见图3A)。然后，通过利用一种感光油漆28和曝光，形成软磁芯1和2(见图3B)。然后，通过利用感光油漆28对软磁性膜24进行蚀刻过程而使软磁芯1和2成型(见图3C)。软磁芯1和2的形成使得其长度处于磁场的探测方向。接下来，在第一和第二软磁芯1和2的上部粘结一个半固化片25和一个铜箔26(见图3D)。然后，通过钻孔，在由第一和第二软磁芯1和2组成的第一基底上形成第一穿孔27，第一软磁芯1和第二软磁芯2分别位于第一和第二软磁芯1和2之间(见图3E)，并且对第一穿孔27的壁镀以金属(见图3F)。之后，通过在外铜箔的两侧使用一种感光油漆和曝光，形成一种激励线圈的图案(见图3G)。然后，通过利用感光油漆对铜箔26进行蚀刻的过程而形成激励线圈布线(3H)形成的激励线圈具有联体结构，基本上以数字“8”的图案将第一和第二软磁芯1和2缠绕在一起。然后，将半固化片29和铜箔30连接到激励线圈的两侧(图3I)。接下来，对应于第一穿孔27形成第二穿孔31，对第二穿孔31壁镀以金属。然后，利用感光油漆和曝光形成一个拾取线圈布线(图3J)。拾取线圈4有一种形成在激励线圈上的结构，以大致螺线管型的图案将第一和第二条形软磁芯1和2缠绕在一起。然后，连接半固化片32和铜片33(图3K)，并且通过曝光和蚀刻形成一个衬垫34(图3L)，用外界导体。用金35镀覆铜衬垫34(图3M)。
图4A和4B是根据本发明第一优选实施例的印刷电路板上磁通闸门传感器的平面图。图4A是平行放置在同一平面上的两个条形软磁芯、以及以数字“8”的图案将两个条形软磁芯缠绕在一起的联体结构的激励线圈平面图，图4B是基本上以螺线管图案缠绕在软磁芯上的拾取线圈的平面图，图4C是放置在同一平面上的矩形环状软磁芯以及缠绕矩形环型软磁芯的联体结构的激励线圈的平面图，图4D是基本上以螺线管图案形成在图4C所示矩形环型软磁芯上的拾取线圈的平面图。
图5是集成在根据本发明第二优选实施例的印刷电路板中的磁通闸门传感器示意图。在磁通闸门传感器中，有彼此平行放置的第一和第二条形软磁芯1和2，激励线圈3单独缠绕在第一和第二软磁芯1和2的每一个上。换言之，激励线圈3具有分体结构。拾取线圈4缠绕在激励线圈3上，将第一和第二条形软磁芯1和2缠绕在一起。或者，拾取线圈4可以缠绕在激励线圈3上，分别缠绕第一和第二条形软磁芯1和2。
同时，软磁芯可以采取矩形环的形式，在这种情况下，激励线圈3可以在磁场探测方向单独地缠绕矩形环型软磁芯的两条长边，并且拾取线圈4基本上以螺线管图案将矩形环型软磁芯的两条长边缠绕在一起，实现相同的感应电压偏置效果。或者，拾取线圈4可以以螺线管图案单独地缠绕在矩形环型软磁芯的两条长边上。
这里，根据本发明第二实施例的拾取线圈4处探测到的感应电压类似于在根据本发明第一实施例的联体结构的激励线圈处探测到的感应电压，即外磁场为零时在第一和第二实施例中预期有相同的感应电压的偏置效果。
图6A和6B是根据本发明第二优选实施例的印刷电路板中磁通闸门传感器的平面图。图6A是平行放置在同一平面上的两个条形软磁芯和形成在两个软磁芯上的分体结构的激励线圈平面图，图6B是表示基本上以螺线图案形成在软磁芯上的拾取线圈的平面图。图6C是放置在同一平面上的矩形环型软磁芯的平面图，分体结构的激励线圈形成在矩形环型软磁芯上；和图6D是表示基本上以螺线管图案形成在矩形环型软磁芯的拾取线圈平面图。
上述的磁通闸门传感器可用在于各种应用中，如通过陆地磁力探测的导航系统，地球磁力变化监视器(地震预报)，生物电测量和金属缺陷的探测。至于间接应用，磁通闸门传感器还可以用在磁编码器、非接触式电位计、电流传感器、力矩传感器和位移传感器中。
本发明的磁通闸门传感器可以与其它传感器和电路一起集成在印刷电路板中，使系统的整体尺寸大大减小。另外，因为从各个侧芯感生的电压被可变地驱动，所以甚至在弱外磁场下也能保持很高的灵敏度。
另外，因为根据本发明的磁通闸门传感器可以以低于条形软磁芯或环向磁芯的价格生产，所以能够批量生产。
虽然以上描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员应该知道，本发明并不局限于此，在不脱离本发明由所附权利要求限定的实质和范围的前提下可以进行各种变化和改型。
权利要求
1.一种磁通闸门传感器，包括软磁芯，形成在印刷电路板上，用以形成一条闭合的磁路；形成为金属膜的激励线圈，缠绕软磁芯形；和形成在激励线圈上的金属膜拾取线圈，缠绕软磁芯。
2.如权利要求1所述的磁通闸门传感器，其特征在于软磁芯包括两条，以平行的关系放置在同一平面上。
3.如权利要求2所述的磁通闸门传感器，其特征在于两条磁芯的放置位置使得磁芯条的长度处于磁场的探测方向。
4.如权利要求3所述的磁通闸门传感器，其特征在于激励线圈具有一种基本上以数字“8”的图案交替缠绕两个条形磁芯的结构。
5.如权利要求4所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
6.如权利要求4所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
7.如权利要求3所述的磁通闸门传感器，其特征在于激励线圈有一种基本以螺线管图案分别缠绕两条磁芯的结构。
8.如权利要求7所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
9.如权利要求7所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
10.如权利要求1所述的磁通闸门传感器，其特征在于软磁芯包括形成在同一平面上的一个矩形环。
11.如权利要求10所述的磁通闸门传感器，其特征在于矩形环放置成其长度处于磁场的探测方向。
12.如权利要求10所述的磁通闸门传感器，其特征在于激励线圈有一种基本上以数字“8”的图案交替缠绕矩形环两条长边的结构。
13.如权利要求12所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
14.如权利要求12所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
15.如权利要求11所述的磁通闸门传感器，其特征在于激励线圈有一种基本上以螺线管图案单独缠绕两条长边的结构。
16.如权利要求15所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
17.如权利要求15所述的磁通闸门传感器，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
18.一种磁通闸门传感器的制造方法，包括步骤在第一金属片上粘贴一个半固化片和一个软磁性膜；通过蚀刻软磁性膜形成一个软磁芯；通过在软磁芯的上部粘合半固化片和第二金属片而形成一个第一基底；在第一基底中远离软磁芯一边及另一边的位置处形成第一穿孔；给第一穿孔电镀金属；通过蚀刻在基底的两个表面上形成一个激励线圈；通过在激励线圈的两部分上粘结半固化片和第三金属片而形成第二基底；在第二基底中对应于第一穿孔地形成第二穿孔；给第二穿孔电镀金属；通过蚀刻第二基底的两个表面而形成一个拾取线圈；通过在拾取线圈的两部分上粘结半固化片和第四金属片形成第三基底；和通过蚀刻第三基底的两个表面而形成一个导电性的衬垫。
19.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于软磁芯包括两条，以平行的关系放置在同一平面上。
20.如权利要求19所述的制造方法，其特征在于两条磁芯的放置位置使得磁芯条的长度处于磁场的探测方向。
21.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于激励线圈具有一种基本上以数字“8”的图案交替缠绕两个条形磁芯的结构。
22.如权利要求21所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
23.如权利要求21所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
24.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于激励线圈有一种基本以螺线管图案分别缠绕两条磁芯的结构。
25.如权利要求24所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
26.如权利要求24所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
27.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于软磁芯包括一个矩形环。
28.如权利要求27所述的制造方法，其特征在于矩形环放置成其长度处于磁场的探测方向。
29.如权利要求28所述的制造方法，其特征在于激励线圈有一种基本上以数字“8”的图案交替缠绕矩形环两条长边的结构。
30.如权利要求29所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
31.如权利要求29所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
32.如权利要求28所述的制造方法，其特征在于激励线圈有一种基本上以螺线管图案单独缠绕两条长边的结构。
33.如权利要求32所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，基本上以螺线管的图案将两条磁芯缠绕在一起。
34.如权利要求32所述的制造方法，其特征在于拾取线圈具有一种形成在激励线圈上的结构，大致以螺线管的图案分别缠绕两条磁芯。
35.如权利要求18所述的制造方法，在形成磁通闸门传感器的组件之前，还包括利用感光油漆和曝光对磁通闸门传感器的各个组件形成一种图案的步骤。
36.如权利要求18所述的制造方法，还包括用金电镀衬垫的步骤。
全文摘要
一种集成在印刷电路板中的磁通闸门传感器。该磁通闸门传感器有两个条形或矩形环形软磁芯，用以在印刷电路板上形成一条闭合磁路，金属膜形式的激励线圈缠绕两个条形软磁芯，既可以是将两个条形软磁芯缠绕在一起的联体结构，也可以是分别缠绕两个条形软磁芯的分体结构，二者均以数字“8”的图案缠绕。拾取线圈安置在激励线圈上，既可以是将两条缠绕到一起，也可以分别缠绕，但都以螺线管的图案缠绕。可以以低廉的制造成本批量制造集成在印刷电路板中的磁通闸门传感器。该磁通闸门传感器也可以制造得很紧凑，并且同时能够形成一条闭合磁路。结果，磁通量的泄漏减到最小，该磁通闸门传感器在通过变化驱动探测磁场时有很高的灵敏度。
文档编号G01R33/04GK1444237SQ02150380
公开日2003年9月24日 申请日期2002年11月8日 优先权日2002年3月13日
发明者崔源悦, 高秉天, 罗敬远, 崔相彦, 姜明杉, 朴建阳 申请人:三星电机株式会社