本发明涉及微型磁传感器，具体是一种基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的微型磁电容传感器及其制造方法。
背景技术：
深空、深海、深地等广泛存在的磁场直接或间接反映着空间环境的资源分布变化规律，磁场矢量信息的准确测量是探测和认知深空、深海、深地等环境的重要手段。目前，磁场矢量信息的测量通过磁传感器来实现。然而，深空、深海、深地等测量环境磁场微弱、磁场分量变化快、温度范围广且测量载体体积往小型化发展，因此要求磁传感器同时具备微体积、低功耗、矢量性、高灵敏度、无磁滞以及宽测量范围等特点。现有的微型磁传感器主要包括霍尔磁传感器和磁阻传感器。其中，霍尔磁传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行磁场检测，受其检测机理所限，存在灵敏度低、功耗大、受温度影响大的问题，因此其不适用于深空、深海、深地等环境的磁场矢量信息测量。磁阻类传感器是利用材料在磁场作用下阻值变化进行磁场检测，但磁敏材料的电阻值易受温度变化影响，且所应用的磁敏材料具有宽磁滞特性，导致传感器在高动态磁场中零点和灵敏度参数产生漂移，另外，磁阻类传感器多采用惠斯通电桥进行阻值变化量检测，功耗较大。
综上，目前没有同时具备微体积、低功耗、矢量性、高灵敏度、无磁滞以及宽测量范围的磁传感器能适用于深空、深海、深地等环境的磁场测量，因此有必要发明一种新型的磁传感器以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明为了解决现有磁传感器不适用于深空、深海、深地等环境的磁矢量测量的问题，提供了一种基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的微型磁电容传感器件的设计及制造方法。
本发明是采用如下技术方案实现：
一种基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的微型磁电容传感器件，包括soi基底（soi包含顶层低阻si、中间掩埋层sio2和底层si）、两个磁场集聚器、磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元、左金属电极板和右金属电极板。
两个磁场集聚器和磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元位于将soi基底的顶层低阻si图形化刻蚀后的sio2表面；两个磁场集聚器呈左右对称状布置；磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元位于两个磁场集聚器之间的间隙处，该磁纳米颗粒复合材料由超顺磁纳米颗粒和高分子聚合物组成；每个磁场集聚器和磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元之间间隔着左金属电极板和右金属电极板。磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元及两侧的左金属电极板和右金属电极板其周围刻蚀出中间掩埋层sio2。
针对上述基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的磁电容传感器件的制造方法，该制造方法是采用如下步骤实现的：
s1、选取soi基底，在soi基底的顶层低阻si上溅射沉积金属焊点层，用金属焊点掩膜版光刻固胶，湿法腐蚀，得到左金属电极板和右金属电极板；
s2、用两个磁场集聚器和纳米复合材料磁电容敏感单元掩膜版光刻固胶，通过si刻蚀工艺将图形化后的磁场集聚器和磁电容敏感单元位置处的顶层低阻si刻蚀掉，露出soi基底的中间掩埋层sio2，然后去除光刻胶，得到磁场集聚器和磁电容敏感单元的图形化沟槽，其中，将磁场集聚器位置处的顶层低阻si刻蚀掉是用于后续溅射沉积磁场集聚器薄膜，将磁电容敏感单元位置处的顶层低阻si刻蚀掉是用于后续注入磁纳米颗粒复合材料；
s3、用两个磁场集聚器掩膜版光刻固胶，溅射沉积高磁导率的软磁材料薄膜，然后剥离去除光刻胶，得到磁场集聚器；
s4、用纳米复合材料磁电容敏感单元掩膜版光刻固胶，对注入的纳米复合材料进行旋涂，然后去除光刻胶，得到纳米复合材料磁电容敏感单元和磁场集聚器共同组成的磁电容传感器件。
本发明基于以下原理：左电极板、磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元、右电极板共同构成磁敏电容，将由两个磁场集聚器和磁电容敏感单元构成的磁电容器件置于被测磁场中，磁电容敏感单元的电容值发生改变，将左电极板和右电极板分别与电容检测电路连接，通过检测电路测得的电容值即可得到被测磁场值。
具体工作过程如下：被测磁场通过两个磁场集聚器后，被测磁场被放大，放大后的磁场通过磁纳米颗粒复合材料时，复合材料中的超顺磁纳米颗粒被磁化，被磁化的相邻的磁纳米颗粒产生沿磁场方向的吸引力，该吸引力使得聚合物材料发生形变，由此导致磁电容敏感单元的介电常数发生改变，进而使得磁电容敏感单元的电容值发生改变，通过电容检测电路测量出电容值的变化量，即可准确测量出被测磁场矢量信息。在此过程中，聚合物材料起到绝缘作用。
基于上述过程，本发明所述的基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的微型磁电容传感器件利用磁电容效应实现了磁场矢量信息的测量。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
第一、本发明利用磁纳米颗粒复合材料的磁电容特性进行磁场矢量信息测量，其中的磁纳米颗粒具有超顺磁特性，所以能够快速响应磁场变化，同时具有无磁滞、受温度影响小的特点。
第二、本发明所述的左右对称的两个磁场集聚器能够放大被测磁场，使得磁纳米颗粒复合材料敏感到的磁场更大，磁电容效应更明显，提高了磁传感灵敏度，使得该传感器件适用于微弱磁场的探测。
第三、本发明所述的磁电容器件通过测试电容值变化量得到磁场矢量信息，而电容检测电路具有功耗小的特点。
第四、本发明所述的磁电容器件可以通过微纳加工工艺实现集成制造，使得该传感器件具有微体积的特点。
本发明所述的基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的磁电容传感器件，同时具备了微体积、低功耗、矢量性、高灵敏度、无磁滞以及宽测量范围的特点，适用于深空、深海、深地等恶劣环境的磁场测量，具有很好的市场推广应用价值。
附图说明
图1表示本发明所述的磁电容传感器件俯视示意图。
图2表示本发明所述的磁电容传感器件截面示意图。
图3表示本发明所述的具体实施例中s1的示意图。
图4表示本发明所述的具体实施例中s2的示意图。
图5表示本发明所述的具体实施例中s3的示意图。
图6表示本发明所述的具体实施例中s4的示意图。
图中：1-soi基底，11-soi基底中的顶层低阻si，12-soi基底中的中间掩埋层sio2，13-soi基底中的底层si，2-磁通集聚器，3-磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元，31-超顺磁纳米颗粒，32-高分子聚合物，4-左金属电极板，5-右金属电极板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的微型磁电容传感器件，如图1、2所示，包括soi基底1、两个磁场集聚器2、磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元3、左金属电极板4和右金属电极板5。
其中soi基底1包含顶层低阻si11、中间掩埋层sio212和底层si13。
两个磁场集聚器和磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元位于将soi基底的顶层低阻si11图形化刻蚀后的sio212表面；两个磁场集聚器2呈左右对称状布置；磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元3位于两个磁场集聚器之间的间隙处；每个磁场集聚器和磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元之间间隔着左金属电极板4和右金属电极板5。磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元3及两侧的左金属电极板4和右金属电极板5其周围刻蚀出中间掩埋层sio2。
其中，磁纳米颗粒复合材料磁电容敏感单元3的磁纳米颗粒复合材料由超顺磁纳米颗粒31和高分子聚合物32组成；超顺磁纳米颗粒31为铁fe、钴co、镍ni等元素的单质纳米颗粒，或者含有单一元素或多种元素的氧化物纳米颗粒；高分子聚合物32为有机硅胶或无机硅胶。
针对上述的基于磁集聚器和磁纳米颗粒复合材料的磁电容传感器件的制造方法，是采用如下步骤实现的：
s1、选取soi基底1，在soi基底1的顶层低阻si11上溅射沉积金属焊点层，用金属焊点掩膜版光刻固胶，湿法腐蚀，得到左金属电极板4和右金属电极板5，如图3所示。
s2、用两个磁场集聚器和纳米复合材料磁电容敏感单元掩膜版光刻固胶，通过si刻蚀工艺将图形化后的磁场集聚器和磁电容敏感单元位置处的顶层低阻si11刻蚀掉，露出soi基底1的中间掩埋层sio212，然后去除光刻胶，得到磁场集聚器和磁电容敏感单元的图形化沟槽，其中，将磁场集聚器位置处的顶层低阻si刻蚀掉是用于后续溅射沉积磁场集聚器薄膜（磁集聚器可制备为任意形状，不仅局限于本示意图中指出的），将磁电容敏感单元位置处的顶层低阻si刻蚀掉是用于后续注入磁纳米颗粒复合材料，如图4所示。
s3、用两个磁场集聚器掩膜版光刻固胶，溅射沉积高磁导率的软磁材料薄膜，然后剥离去除光刻胶，得到磁场集聚器2，如图5所示。
s4、用纳米复合材料磁电容敏感单元掩膜版光刻固胶，对注入的纳米复合材料进行旋涂，然后去除光刻胶，得到纳米复合材料磁电容敏感单元3和磁场集聚器2共同组成的磁电容传感器件，如图6所示。
本发明解决了现有微型磁传感器不适用于高动态磁场应用环境的问题，适用于各种场合的磁场测量，尤其适用于深空、深海、深地等高动态磁场应用环境的磁场测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。