EMS磁通門傳感器探頭芯片有什么優(yōu)點(diǎn)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中科院上海微系統(tǒng)所副研究員顧杰斌與國內(nèi)某上市公司合作，歷時近三年時間，研發(fā)出了一款基于晶圓級MEMS-Casting技術(shù)的MEMS磁通門傳感器探頭芯片。有別于傳統(tǒng)的漆包線繞制的方法，磁通門的三維螺線線圈是通過液態(tài)合金在預(yù)制的硅微模具上填充成形。

磁傳感器是非常重要的磁場探測傳感元件。磁傳感器無所不在、尺寸小巧且價格合理，有些可以輕松地和其它電路一同集成到芯片上，因此，磁傳感器被人們廣泛用于各種應(yīng)用。磁傳感技術(shù)在機(jī)器人和工廠自動化中的優(yōu)勢尤其明顯。由于磁傳感器在零件位置和速度檢測方面具有更高的可靠性和精確度，因此，它對運(yùn)動控制而言至關(guān)重要。這一優(yōu)勢也讓機(jī)器手臂和其它部件能夠平穩(wěn)而準(zhǔn)確地移動，從而確保高質(zhì)量和高安全性的制造過程。除汽車外，磁傳感器還大量用于如洗衣機(jī)和微波爐等家用電器中，以檢測電器的門是處于關(guān)閉還是打開狀態(tài)。磁傳感器還被廣泛用于醫(yī)療器械中，例如，當(dāng)應(yīng)用于助聽器時，它能夠檢測佩戴者是否攜帶了手機(jī)，然后更改至相應(yīng)的模式，以幫助佩戴者能夠更清楚地聽到來電。此外，它還常被用于電梯中的樓層檢測以及檢測例如平板電腦或手機(jī)等手持設(shè)備是處于打開還是關(guān)閉的狀態(tài)。

磁通門傳感器是在第二次世界大戰(zhàn)中被發(fā)明出的。與其它類型測磁儀器相比，磁通門傳感器具有分辨率高、測量弱磁場范圍寬、可靠性高、能夠直接測量磁場的分量和適于在運(yùn)動系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)。磁通門傳感器是被公認(rèn)為精度最高的磁傳感器，可以測到納特斯拉（nT）級。因其高靈敏度，在其發(fā)明后不久即被應(yīng)用于探雷、潛艇探測軍事領(lǐng)域。在民用方面，磁通門傳感器又被廣泛應(yīng)用于地面磁場研究、航空磁測、地震預(yù)報研究、地下礦床勘探、生物醫(yī)學(xué)研究、星際間磁測以及大電流過流檢測等領(lǐng)域。

磁通門傳感器是利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種傳感器，其基本原理為通過對鐵磁芯激勵后，可以實現(xiàn)鐵磁芯對外界微弱磁場的靈敏反應(yīng)。磁通門傳感器的核心結(jié)構(gòu)是繞有三維螺螺旋線圈的鐵磁芯，因其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，目前絕大部分的磁通門探頭依舊是通過漆包線在鐵磁芯上繞制而成。這種傳統(tǒng)繞制方式的一個最大問題就是尺寸體積非常大，微型化非常困難，而微型化一直是所有傳感器的重要發(fā)展方向。

磁通門傳感器的探頭芯片化之所以困難，主要難點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因為螺線式線圈屬于復(fù)雜三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時為了減小整個線圈的電阻值，就需要使用較厚的金屬線。電鍍幾乎是目前唯一厚金屬沉積方法。目前已有的資料文獻(xiàn)中，通過電鍍的方法來制造MEMS磁通門傳感器則至少需要三次電鍍，如果加上中間的鐵磁芯電鍍，則需要四次電鍍，制造過程很復(fù)雜。以一個150匝線圈為例，其包含有300個微通孔需要填充。這300個孔只要有一個出現(xiàn)斷路等問題，則整個線圈就會失效。

MEMS磁通門傳感器一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界重要的研究目標(biāo)。目前市場上唯一可以買到的芯片式磁通門傳感器由德州儀器（TI）提供，核心技術(shù)一直掌握在國外廠商手里，國內(nèi)鮮有成熟的且可以產(chǎn)業(yè)化的MEMS磁通門傳感器報道。磁通門傳感器的性能主要由鐵磁芯決定，而電鍍成型的鐵磁芯的性能通常沒有單獨(dú)成型的好。此外磁通門傳感器的線圈尺寸會影響到器件的功耗，尺寸，器件的一致性等。隨著傳感器件往微小型化的發(fā)展趨勢，磁通門傳感器的MEMS化是大勢所趨。目前磁通門探頭的市場需求量預(yù)計在千萬顆以上。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期中科院上海微系統(tǒng)所副研究員顧杰斌與國內(nèi)某上市公司合作，歷時近三年時間，研發(fā)出了一款基于晶圓級MEMS-CasTIng?技術(shù)的MEMS磁通門傳感器探頭芯片。有別于傳統(tǒng)的漆包線繞制的方法，磁通門的三維螺線線圈是通過液態(tài)合金在預(yù)制的硅微模具上填充成形。通過這種方法，整個螺線式線圈是通過一次成型的方式制造出來，并且可以實現(xiàn)晶圓級的批量制造。對于展開后線寬只有數(shù)十微米，長度有近1米的螺線線，通過這種一次成型的方式制造出來，這其中攻克了多項技術(shù)難點(diǎn)：例如螺旋線圈微模具在硅片上的制造；如何保證填充的合金中不存在微氣泡，任何微氣泡在線槽中的存在會造成斷路等；解決了填充的液態(tài)金屬在固化過程中體積收縮從而導(dǎo)致斷裂等一系列問題。圖二展示了成功制造的MEMS磁通門傳感器探頭芯片的電子顯微鏡照片，可以看到填充飽滿表面平整。

圖一：通過液態(tài)合金而非漆包線來實現(xiàn)螺線式線圈的繞制

圖二：基于MEMS-CasTIng?技術(shù)的磁通門傳感器探頭芯片圖片

圖三：MEMS-CasTIng?技術(shù)制造的MEMS磁通門傳感器探頭與傳統(tǒng)漆包線繞制的探頭比較

三維螺線線圈的總電阻值是其最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，因為其直接影響到磁通門傳感器探頭的功耗。目前150匝線圈的總電阻值可以做到11歐姆以下，并且有再降低一倍的空間。通過MEMS-Casting?技術(shù)制造的MEMS磁通門傳感器已經(jīng)通過所有相關(guān)可靠性測試，并且性能表現(xiàn)優(yōu)良。相對于傳統(tǒng)漆包線繞制的磁通門傳感器探頭，利用MEMS-Casting?技術(shù)制造的MEMS磁通門傳感器探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 整個探頭體積可以縮小2/3；

2. 器件一致性更佳，減少后續(xù)電路調(diào)試成本；

3. 可實現(xiàn)晶圓級批量制造；

4. 方便與后端信號調(diào)理電路芯片集成。

該項研究的相關(guān)論文被2019年1月在韓國首爾召開的一年一度IEEE MEMS會議錄取為口頭報告。IEEE MEMS會議是MEMS領(lǐng)域最高級別國際會議，每年輪流在亞洲，美洲和歐洲舉辦。該會議對錄取文章的原創(chuàng)性要求極高，特別是口頭報告，每年的錄取率往往不超過10%。

該項晶圓級MEMS-Casting?技術(shù)還可用于半導(dǎo)體先進(jìn)封裝的TSV/TGV填充，以及微波組件的三維堆疊制造等。2018年初，MEMS-Casting?技術(shù)項目獲得西安中科創(chuàng)星投資。目前已成立上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司專門從事這項技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。公司也已完成下一代晶圓級液態(tài)合金專用成型設(shè)備的研制，并已開始給下游客戶送樣，同時也在尋求下一輪融資。