硅基微型磁通門傳感器關鍵技術研究.pdf

1、磁通門傳感器在靈敏度、溫度穩(wěn)定性、零位漂移等方面具有明顯優(yōu)勢，但線圈結構與飽和激勵方式使其體積和功耗偏大是亟待解決的問題。近年來采用微加工工藝制備微型磁通門是一個研究熱點，如何解決微型化對磁通門性能帶來的影響，成為微型磁通門的關鍵技術問題。微型化器件的應用場合以及微型化器件本身的散熱條件決定了微型磁通門對低功耗有著更迫切的需求；采用正交激勵結構可以在不增加激勵電流的情況下通過縮短鐵芯長度增加磁通門的線性測量范圍，但微型正交激勵磁通門噪聲

2、過大、靈敏度過低；微工藝制備的軟磁鐵芯材料性能比塊材下降很多。針對這些關鍵問題，本文通過改進縮比結構鐵芯，探索避免大漏磁的低功耗方法；通過改進寬線性范圍微型正交激勵磁通門結構，提高其靈敏度并降低噪聲；通過研究微型鐵芯的制備工藝探索更適合微型磁通門鐵芯的制備方法。
　　本文的主要工作及創(chuàng)新型研究成果如下：
　　1、提出了一種考慮了漏磁比的縮比結構磁通門最佳激勵電流模型，在此模型的基礎上提出了一種能夠大幅降低微型磁通門功耗的多孔

3、鐵芯結構。采用縮比結構鐵芯可以降低磁通門激勵電流從而降低功耗，然而現(xiàn)有的縮比結構最佳激勵電流模型無法考慮到漏磁的影響導致精度較差。本文在考慮了漏磁因子的基礎上提出了新的最佳激勵電流模型。通過實驗和有限元分析，證明了新模型的準確性。在此模型基礎上，提出了一種改進型縮比結構——多孔結構。這種結構可以通過感應線圈鐵芯的縱向分段降低漏磁，通過橫向分段增加激勵線圈部分鐵芯的等效橫截面積，從而進一步降低磁通門功耗。
　　2、提出了采用S型激勵

4、線和多根分段鐵芯結構的微型正交激勵磁通門，采用這種結構可以有效提高微型正交激勵磁通門靈敏度并降低噪聲。線-芯結構微型正交激勵磁通門可以通過縮短鐵芯長度的方法增加對外磁場的退磁，在不提高激勵電流的情況下達到增加測量線性范圍的目的。然而目前制備的微型正交激勵磁通門存在著靈敏度低、噪聲高等缺點。本文提出了一種采用分段鐵芯結合多鐵芯的方法實現(xiàn)磁通門靈敏度的提高和噪聲的降低。與現(xiàn)有的微型正交激勵磁通門相比較，采用多鐵芯陣列可提高靈敏度；采用分段鐵

5、芯取代縮短鐵芯長度，在增加磁通門線性范圍的同時防止了由于感應線圈匝數(shù)減小帶來的靈敏度降低；得益于靈敏度的提高，傳感器磁噪聲得到降低；同時，這種結構提高了傳感器輸入電阻，有利于降低磁通門對驅動電路的要求。對制備得到的微型正交激勵磁通門進行了測試，與現(xiàn)有微型正交激勵磁通門相比較，在基本相同的激勵條件下，噪聲降低為1/3，靈敏度提高兩個數(shù)量級，線性范圍基本不變。與現(xiàn)有的寬線性范圍微型正交激勵磁通門相比較，線性范圍增加一倍，靈敏度提高一個數(shù)量級

6、，噪聲降低32％。
　　3、提出了適用于微型磁通門的薄膜鐵芯材料制備方法。目前進行薄膜鐵芯材料研究時多追求更好的軟磁性能，而對采用這些薄膜鐵芯的磁通門性能的研究比較少見。本文針對Co77Fe2.5Mn1.4Mo2.1Si13B4非晶材料和NiFe合金材料，在研究如何通過改進制備工藝得到更好軟磁性能的同時，進一步研究了制備得到的薄膜作為磁通門鐵芯時磁通門的靈敏度、線性范圍、最佳激勵電流及噪聲性能。給出了不同性能需求條件下，微型磁通門

7、鐵芯制備方法的建議。
　　4、提出了一種適用于微型磁通門制備過程的聚酰亞胺低成本平坦化方法。微型磁通門工藝中常用的絕緣層/保護層為聚酰亞胺，其平坦化方法通常采用化學機械平坦化，而化學機械平坦化設備價格昂貴。本文通過對聚酰亞胺濕法刻蝕技術和線間填充技術的研究，提出了一種低成本平坦化方法。與微型磁通門制備過程中常用的反應離子刻蝕法和化學機械平坦化方法相比較，這種方法僅需要進行光刻和濕法刻蝕，降低了工藝成本。
　　本文的研究結合國