本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化硅基集成微型化磁通門傳感器。

背景技術(shù)：

磁通門傳感器作為一種傳統(tǒng)的弱磁場檢測器件，一直有著其獨(dú)特的優(yōu)勢而無法為其他磁場傳感器所取代，近年來更是不斷在新的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用潛力，例如室內(nèi)地磁定位、導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)、小衛(wèi)星姿態(tài)控制、虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)作檢測、智能交通等。近年來，由于經(jīng)常需要在較高溫度和惡劣的環(huán)境下對特定部件進(jìn)行精確轉(zhuǎn)速測量，并且不能變動(dòng)被測部件的結(jié)構(gòu)，同時(shí)空間有限，如車輛變速箱或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中齒輪轉(zhuǎn)速的測量，往往要求磁傳感器可以承受500℃以上高溫。因此對磁通門傳感器的要求趨向于耐高溫、更薄、更輕、更便宜。

傳統(tǒng)磁通門傳感器使用一個(gè)堅(jiān)固的骨架作為基座，將軟磁帶狀磁芯固定于骨架上，然后在其上纏繞一個(gè)通過電流產(chǎn)生磁場的激勵(lì)線圈，和一個(gè)在激勵(lì)線圈誘發(fā)磁場基礎(chǔ)上檢測外部磁場效應(yīng)的磁場感應(yīng)線圈。這使得傳統(tǒng)磁通門傳感器的工作溫度范圍有限，而且尺寸大、重量高、靈敏度低以及長期穩(wěn)定性差。MEMS技術(shù)的發(fā)展為微型化磁通門傳感器的研制提供了一條有效可靠的途徑。與傳統(tǒng)磁通門傳感器探頭相比較，MEMS磁通門傳感器探頭結(jié)構(gòu)緊湊，體積、質(zhì)量小，安裝調(diào)試簡單，不怕震動(dòng)撞擊，受環(huán)境溫度變化影響小。采用MEMS技術(shù)研制微型磁通門傳感器成為國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，J.Kubik等(L.Pavel and P.Ripka)在《IEEE SENSOR JOURNAL》(IEEE傳感器雜志)Vol.7,pp179-183,2007上發(fā)表了“Low-Power Printed Circuit Board Fluxgate Sensor”(低能耗印刷電路板磁通門傳感器)一文。該文提及了一個(gè)由多層印刷電路板技術(shù)開發(fā)的微型磁通門傳感器，磁芯為矩形結(jié)構(gòu)，采用的是25微米厚的Vitrovac 6025X非晶合金薄帶，在10kHz下磁通門傳感器的靈敏度是94V/T，能耗只有3.9mW。由于制作過程中需要打出通孔來實(shí)現(xiàn)在磁芯上繞制線圈，傳感器可能會(huì)在通過過程中被損壞，而且印刷電路板不能承受高溫環(huán)境。另外，與MEMS技術(shù)相比，根據(jù)這種方法很難減小磁通門傳感器的尺寸。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種微型磁通門傳感器，采用MEMS技術(shù)制造，并且具有體積小，重量輕，耐高溫和震動(dòng)沖擊等特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何采用MEMS技術(shù)制造出一種微型磁通門傳感器，具有體積小，重量輕，耐高溫和震動(dòng)沖擊的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種微型磁通門傳感器，包括碳化硅襯底、激勵(lì)線圈、檢測線圈、磁芯、電極和碳化硅薄膜；其中矩形的所述磁芯位于所述碳化硅襯底表面的矩形凹槽內(nèi)，所述磁芯的上表面與所述碳化硅襯底表面平齊；所述矩形凹槽底部分布微槽陣列，并且所述微槽陣列兩端延伸進(jìn)入所述碳化硅襯底內(nèi)部，在所述矩形凹槽兩側(cè)的所述碳化硅襯底表面刻蝕有陣列通孔，使所述微槽陣列的兩端露出；所述激勵(lì)線圈和所述檢測線圈均為微機(jī)電三維螺線管線圈，所述激勵(lì)線圈和所述檢測線圈的底層線圈位于所述矩形凹槽底部的所述微槽陣列內(nèi)，所述底層線圈的通電導(dǎo)線之間由微槽陣列間隙的碳化硅襯底絕緣，所述底層線圈上表面與所述矩形凹槽的底部表面平齊，所述底層線圈通過碳化硅薄膜與所述磁芯絕緣；所述激勵(lì)線圈和所述檢測線圈的頂層線圈通過碳化硅薄膜與所述磁芯絕緣，所述頂層線圈的通電導(dǎo)線間隙由碳化硅薄膜填滿絕緣，并通過位于所述底層線圈通電導(dǎo)線的兩端上方的陣列通孔內(nèi)的連接導(dǎo)體與所述底層線圈連接形成完整的三維螺線管線圈；所述微型磁通門傳感器表面由碳化硅薄膜覆蓋與空氣隔離，并通過通孔露出電極。

進(jìn)一步地，所述矩形凹槽采用干法刻蝕工藝在碳化硅襯底表面刻蝕形成，矩形凹槽寬度及深度均與磁芯的寬度和厚度相等。

進(jìn)一步地，所述微槽陣列采用干法刻蝕工藝在矩形凹槽底部的碳化硅襯底上刻蝕形成，微槽兩端從矩形凹槽側(cè)壁向碳化硅襯底內(nèi)部延伸300μm，微槽寬度及間隙均為50μm。

進(jìn)一步地，所述陣列通孔位于矩形凹槽兩側(cè)、微槽陣列兩端正上方，陣列通孔與矩形凹槽之間間距為200μm，通孔的長度為100μm，通孔的寬度及間隙均為50μm。

進(jìn)一步地，所述硅微槽陣列微槽寬度及間隙均與底層線圈通電導(dǎo)線寬度及間隙相等，微槽深度與底層線圈厚度相等。

進(jìn)一步地，所述磁芯為納米晶軟磁薄帶，居里點(diǎn)大于500℃。

進(jìn)一步地，所述碳化硅薄膜采用化學(xué)氣相沉積法制作，厚度為1μm。

進(jìn)一步地，所述激勵(lì)線圈和檢測線圈的材料為電鍍銅。

進(jìn)一步地，所述連接導(dǎo)體的材料為電鍍銅。

進(jìn)一步地，所述電極的材料為電鑄銅。

本發(fā)明的碳化硅基集成微型化磁通門傳感器與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益的效果：

(1)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)與碳化硅材料及高溫納米晶軟磁薄帶相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)使用碳化硅材料替代現(xiàn)有MEMS磁通門傳感器芯片中常用的有機(jī)絕緣包覆厚膜材料，不僅提高了MEMS磁通門傳感器的工作溫度范圍，而且避免了使用有機(jī)絕緣材料時(shí)所需的化學(xué)機(jī)械拋光工藝，有效解決了現(xiàn)有MEMS磁通門傳感器芯片無法在高溫環(huán)境工作，且制造工藝與微電子工藝兼容性差，工藝過程污染嚴(yán)重的問題，提高了芯片制造良品率。

(2)本發(fā)明采用碳化硅材料作為基底以及絕緣、支撐、包覆材料，提高了MEMS磁通門傳感器芯片的堅(jiān)固度，可適應(yīng)各種極端環(huán)境應(yīng)用需求，如高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、高壓環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境等，拓展了MEMS磁通門傳感器芯片的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)了MEMS磁通門傳感器芯片的競爭力。

(3)本發(fā)明采用1μm超薄碳化硅薄膜作為層間絕緣材料，有效改善了MEMS磁通門傳感器芯片內(nèi)部線圈部分與磁芯部分的磁場耦合度，提高了激勵(lì)效率，降低了MEMS磁通門傳感器芯片的噪聲和能耗，提高了信號(hào)響應(yīng)速度，有力提高了MEMS磁通門傳感器芯片的使用性能。

(4)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)研制磁通門傳感器芯片，與傳統(tǒng)磁通門傳感器相比穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，安裝調(diào)試過程簡易，更加牢固，不易受環(huán)境溫度變化和外加應(yīng)力影響；

(5)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)研制，可直接在本發(fā)明基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)二軸微型磁通門傳感器以及磁通門傳感器陣列，同時(shí)工藝過程與大規(guī)模集成電路工藝完全兼容，可直接與接口電路集成制造，從而提供更多磁測量功能適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域需求，例如室內(nèi)地磁定位、導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)、小衛(wèi)星姿態(tài)控制、虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)作檢測、智能交通等。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的碳化硅襯底表面微結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的碳化硅基集成微型化磁通門傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是沿圖2所示A-A線的剖面圖；

其中，1為碳化硅襯底，2為矩形凹槽，3為微槽陣列，4為陣列通孔，5為激勵(lì)線圈，6為檢測線圈，7為磁芯，8為電極，9為碳化硅薄膜，10為底層線圈，11為頂層線圈，12為連接導(dǎo)體。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

如圖1-3所示，本發(fā)明的碳化硅基集成微型化磁通門傳感器包括：碳化硅襯底1、激勵(lì)線圈5、檢測線圈6、磁芯7、電極8和碳化硅薄膜9；其中矩形磁芯位于碳化硅襯底表面的20μm深度矩形凹槽2內(nèi)，磁芯厚度為20μm；矩形凹槽底部分布微槽陣列3，并且微槽陣列3兩端延伸進(jìn)入碳化硅襯底1內(nèi)部300μm處，在矩形凹槽2兩側(cè)200μm處的碳化硅襯底1表面刻蝕有陣列通孔4使微槽陣列3兩端露出；激勵(lì)線圈5和檢測線圈6均為微機(jī)電三維螺線管線圈，激勵(lì)線圈5和檢測線圈6的底層線圈10位于矩形凹槽2底部的微槽陣列3內(nèi)，底層線圈10的通電導(dǎo)線之間由微槽陣列3間隙的碳化硅襯底1絕緣，底層線圈10上表面與矩形凹槽2底部表面平齊，底層線圈10通過1μm厚度碳化硅薄膜與9磁芯7絕緣；激勵(lì)線圈5和檢測線圈6的頂層線圈11通過1μm厚度碳化硅薄膜9與磁芯7絕緣，頂層線圈11的通電導(dǎo)線間隙由碳化硅薄膜9填滿絕緣，并通過位于底層線圈10通電導(dǎo)線兩端上方陣列通孔4內(nèi)的20μm高度的連接導(dǎo)體12與底層線圈10連接形成完整的三維螺線管線圈；傳感器表面由1μm厚度碳化硅薄膜9覆蓋與空氣隔離保護(hù)，并通過1×1mm通孔露出1×1mm電極8。

工作時(shí)，在激勵(lì)線圈5通一正弦交流電使磁芯7處于飽和狀態(tài)。沒有外部磁場時(shí)，由于差分效應(yīng)，檢測線圈6沒有任何信號(hào)輸出；當(dāng)有外部磁場存在時(shí)，檢測線圈6會(huì)有輸出信號(hào)，信號(hào)為偶次諧波，經(jīng)濾波后可得到二次諧波信號(hào)。二次諧波信號(hào)大小與外部磁場成正比。因此可測量外部磁場大小和方向。

本實(shí)施例中，矩形凹槽采用干法刻蝕工藝在碳化硅襯底表面刻蝕形成，寬度為1mm。

本實(shí)施例中，微槽陣列采用干法刻蝕工藝在矩形凹槽底部刻蝕形成，微槽寬度及間隙均為50μm，深度為30μm。

本實(shí)施例中，陣列通孔采用干法刻蝕工藝在碳化硅襯底表面刻蝕形成，通孔的長度為100μm，通孔的寬度及間隙均為50μm，深度為20μm。

本實(shí)施例中，磁芯為矩形鈷基納米晶軟磁薄帶磁芯，居里點(diǎn)大于500℃，寬度為1mm。

本實(shí)施例中，激勵(lì)線圈和檢測線圈均為微機(jī)電三維螺線管線圈結(jié)構(gòu)，該三維螺線管線圈結(jié)構(gòu)由頂層線圈與底層線圈通過碳化硅襯底表面的通孔直接在通電導(dǎo)線兩端端頭連通形成。三維螺線管線圈的材料為電鑄銅，且三維螺線管線圈中每匝導(dǎo)體的線寬為50μm，厚度為30μm，各匝之間間隙為50μm。激勵(lì)線圈匝數(shù)為60匝，檢測線圈匝數(shù)為58匝。

本實(shí)施例所述的碳化硅基集成微型化磁通門傳感器，其為基于MEMS技術(shù)的低噪聲微型平面磁通門傳感器，能精確檢測磁場。本發(fā)明采用類跑道型的矩形磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，激勵(lì)線圈與檢測線圈均繞制在磁芯長軸上，磁芯為高溫納米晶軟磁薄帶，傳感器具有耐高溫、易于批量制造、成本低、靈敏度高、噪聲低以及能耗低的特點(diǎn)。其中，利用矩形凹槽容納磁芯，利用矩形凹槽底部的微槽陣列容納激勵(lì)線圈與檢測線圈的底層線圈找平形成平坦的磁芯支撐底面，并且使用刻蝕通孔容納連接導(dǎo)體使激勵(lì)線圈與檢測線圈的底層線圈和頂層線圈連通，從而可以使用大厚度的磁芯提高微型化磁通門傳感器的靈敏度，而且使用和碳化硅襯底同源的碳化硅薄膜作為傳感器的絕緣、支撐和包覆保護(hù)材料，有效解決了現(xiàn)有微機(jī)電系統(tǒng)磁通門傳感器芯片制造使用有機(jī)絕緣包覆材料使得傳感器不耐高溫，而且與微電子工藝兼容性差，工藝過程污染嚴(yán)重，良品率低且成本昂貴的問題，提高了生產(chǎn)效率，降低了磁通門傳感器芯片的噪聲和能耗，提高了信號(hào)響應(yīng)速度。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。