微型磁通門

磁通門是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種傳感器。磁通門傳感器也稱磁強(qiáng)計(jì)，由探頭和接口電路組成，具有分辨率高（最高可達(dá)10-11T）、測(cè)量弱磁場(chǎng)范圍寬（在10-8T以下）、可靠、簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、耐用、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)。磁通門傳感器的研究起始于1928年，幾年后才出現(xiàn)了利用磁性材料自身磁飽和特性的磁通門磁強(qiáng)計(jì)，它被用來測(cè)量1mT以下的直流或低頻交流磁場(chǎng)。1936年，Aschenbrenner和Goubau稱達(dá)到了0.3nT的分辨率。在第二次世界大戰(zhàn)中，用于軍事探潛的磁通門傳感器有了較大的發(fā)展。磁通門從其問世以來得到了不斷的發(fā)展和改進(jìn)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如地磁研究、地質(zhì)勘探、石油測(cè)井、空間磁場(chǎng)探測(cè)、磁性導(dǎo)航、武器偵察、探潛、磁性材料測(cè)試和材料無(wú)損探傷等弱磁場(chǎng)探測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域。近年來，磁通門在宇航工程中也得到了重要應(yīng)用，例如，用來控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài)，測(cè)繪太陽(yáng)的“太陽(yáng)風(fēng)”和帶電粒子相互作用的空間磁場(chǎng)、月球磁場(chǎng)、行星磁場(chǎng)以及星際磁場(chǎng)的圖形等。美國(guó)宇航局（NASA）目前正在制訂的一項(xiàng)雄心勃勃的微型儀器技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，主要目的是發(fā)展適合21世紀(jì)的小型、低價(jià)、高性能航天器，利用MEMS技術(shù)對(duì)航天器有效載荷的某些機(jī)電部件進(jìn)行微型化，以極大地減小各種科學(xué)儀器和傳感器的體積和質(zhì)量，提高探測(cè)器的功能密度。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）稱這些微型儀器將是新的微型實(shí)驗(yàn)室的心臟，它們主要包括：火星登陸器、微加速度計(jì)、微磁強(qiáng)計(jì)、微濕度計(jì)、微氣象站、微地震儀、微集成相機(jī)、微成像光譜儀以及微推進(jìn)器等。由此可見，微型磁通門在其計(jì)劃中的位置。

傳統(tǒng)制造磁通門的方法是在高導(dǎo)磁鐵芯上用機(jī)械的方法纏繞上勵(lì)磁線圈和感應(yīng)線圈制成探頭，再與接口電路連接起來，這種方法制作的磁通門在體積、質(zhì)量以及功耗等許多方面都難以實(shí)現(xiàn)微型化。目前，利用MEMS技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路工藝相結(jié)合是研制微型磁通門傳感器的突破口。

微型磁通門的研究起步比較晚，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，日本、美國(guó)以及東歐一些國(guó)家的學(xué)者才開始嘗試?yán)肕EMS技術(shù)來制作微型磁通門及其系統(tǒng)，并取得了一系列的成果。由于微加工技術(shù)的要求，微型固態(tài)傳感器必須制作在某種固體襯底材料上，襯底材料的不同，使得傳感器的制作方法也不同。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，目前微型磁通門的制造工藝主要分為三種: 一是利用PCB板加工制作磁通門探頭,2000年，瑞士的O.Dezuari等發(fā)表了他們利用三層PCB板制作微型磁通門探頭的技術(shù)，該磁通門在10kHz的勵(lì)磁頻率下，靈敏度為18V/T。 與此同時(shí)，其同胞Pavel Kejik等也制作出PCB板式探頭的磁通門傳感器，在8.4kHz的頻率激勵(lì)下，其靈敏度為55V/T。二是在非半導(dǎo)體（如釩、玻璃等）襯底上制作磁通門探頭。1994年，I.Vincueria等利用平面加工技術(shù)在金屬釩襯底上制作了微型磁通門探頭。線圈由Ti-Pd-Cu三層構(gòu)成，其中Ti和Pd是用低壓氣相淀積（LPVD）方法制作，Cu是用電鍍的方法制作而成。另外，2000年P(guān).A.Roberson發(fā)表了制作在玻璃上的微型磁通門傳感器。三是在半導(dǎo)體材料特別是硅襯底上制作磁通門探頭以及包括接口電路在內(nèi)的磁通門系統(tǒng)。1990年，瑞士的T. Seitz首先采用微電子平面工藝制作了世界上第一個(gè)微型磁通門傳感器，該磁通門將磁芯和感應(yīng)線圈集成到一個(gè)芯片上。此后日本、德國(guó)、美國(guó)以及瑞士的科學(xué)家也都開展了微型磁通門的研究，并相繼報(bào)道了他們的研究成果。日本的S. Kawahito等從1993年開始先后研制出單芯、雙芯、環(huán)芯磁通門探頭以及探頭與接口電路集成在一起的微型磁通門傳感器系統(tǒng)；德國(guó)的R.Gottfried等于1996年研制出帶有三個(gè)線圈的與接口電路集成在一個(gè)芯片上的雙芯磁通門系統(tǒng)，并對(duì)此結(jié)構(gòu)的磁通門進(jìn)行了一系列的研究；1999年，美國(guó)的T. M. Liakopouls等首次制作出微結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)環(huán)芯磁通門探頭；2000年，瑞典的L.Chiesi等發(fā)表了另一種雙芯的集成微型磁通門系統(tǒng)。人們利用半導(dǎo)體硅材料研究制作的各種磁通門探頭和磁通門系統(tǒng)存在著許多差別，各有其特點(diǎn)。與在PCB板上或其他襯底材料上制作磁通門傳感器的方法相比較,在半導(dǎo)體襯底上制作磁通門傳感器具有無(wú)比的優(yōu)越性。首先半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到微米、納米數(shù)量級(jí)，這對(duì)磁通門傳感器尺寸的進(jìn)一步縮小奠定了基礎(chǔ)；其次利用半導(dǎo)體襯底不僅可以將磁通門的探頭部分集成在一起，而
且還能將磁通門探頭及其接口電路制作在同一芯片上，使得整個(gè)儀器的尺寸大大減小，同時(shí)還能減小損失在連線、分立器件等上的功耗，及其引起的噪聲等，進(jìn)一步提高磁通門的靈敏度和分辨率。

微型磁通門傳感器的研究方向如下：①系統(tǒng)化，將探頭與接口電路完全集成在一個(gè)芯片上，制成真正的磁通門MEMS系統(tǒng)；②陣列化，根據(jù)需要在一個(gè)芯片上制作一系列磁通門探頭不僅可以提高傳感器的性能，也可完成某些特定的功能，如制作微型磁羅盤；③利用微加工技術(shù)，從而提高磁通門傳感器的性能，特別是磁芯的性能；④利用計(jì)算機(jī)模擬與仿真軟件對(duì)磁通門的接口電路進(jìn)行模擬優(yōu)化，提高電路的性能；⑤利用計(jì)算機(jī)對(duì)微型磁通門探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，以縮短設(shè)計(jì)周期，提高研究效率，進(jìn)一步降低成本；⑥向?qū)嵱没?、商品化方向發(fā)展，從而促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。