微型磁通门

磁通门是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。磁通门传感器也称磁强计，由探头和接口电路组成，具有分辨率高（最高可达10-11T）、测量弱磁场范围宽（在10-8T以下）、可靠、简易、经济、耐用、能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点。磁通门传感器的研究起始于1928年，几年后才出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，它被用来测量1mT以下的直流或低频交流磁场。1936年，Aschenbrenner和Goubau称达到了0.3nT的分辨率。在第二次世界大战中，用于军事探潜的磁通门传感器有了较大的发展。磁通门从其问世以来得到了不断的发展和改进，被广泛应用在各个领域，如地磁研究、地质勘探、石油测井、空间磁场探测、磁性导航、武器侦察、探潜、磁性材料测试和材料无损探伤等弱磁场探测的各个领域。近年来，磁通门在宇航工程中也得到了重要应用，例如，用来控制人造卫星和火箭的姿态，测绘太阳的“太阳风”和带电粒子相互作用的空间磁场、月球磁场、行星磁场以及星际磁场的图形等。美国宇航局（NASA）目前正在制订的一项雄心勃勃的微型仪器技术开发计划，主要目的是发展适合21世纪的小型、低价、高性能航天器，利用MEMS技术对航天器有效载荷的某些机电部件进行微型化，以极大地减小各种科学仪器和传感器的体积和质量，提高探测器的功能密度。美国喷气推进实验室（JPL）称这些微型仪器将是新的微型实验室的心脏，它们主要包括：火星登陆器、微加速度计、微磁强计、微湿度计、微气象站、微地震仪、微集成相机、微成像光谱仪以及微推进器等。由此可见，微型磁通门在其计划中的位置。

传统制造磁通门的方法是在高导磁铁芯上用机械的方法缠绕上励磁线圈和感应线圈制成探头，再与接口电路连接起来，这种方法制作的磁通门在体积、质量以及功耗等许多方面都难以实现微型化。目前，利用MEMS技术与半导体集成电路工艺相结合是研制微型磁通门传感器的突破口。

微型磁通门的研究起步比较晚，进入20世纪90年代，日本、美国以及东欧一些国家的学者才开始尝试利用MEMS技术来制作微型磁通门及其系统，并取得了一系列的成果。由于微加工技术的要求，微型固态传感器必须制作在某种固体衬底材料上，衬底材料的不同，使得传感器的制作方法也不同。据文献报道，目前微型磁通门的制造工艺主要分为三种: 一是利用PCB板加工制作磁通门探头,2000年，瑞士的O.Dezuari等发表了他们利用三层PCB板制作微型磁通门探头的技术，该磁通门在10kHz的励磁频率下，灵敏度为18V/T。 与此同时，其同胞Pavel Kejik等也制作出PCB板式探头的磁通门传感器，在8.4kHz的频率激励下，其灵敏度为55V/T。二是在非半导体（如钒、玻璃等）衬底上制作磁通门探头。1994年，I.Vincueria等利用平面加工技术在金属钒衬底上制作了微型磁通门探头。线圈由Ti-Pd-Cu三层构成，其中Ti和Pd是用低压气相淀积（LPVD）方法制作，Cu是用电镀的方法制作而成。另外，2000年P.A.Roberson发表了制作在玻璃上的微型磁通门传感器。三是在半导体材料特别是硅衬底上制作磁通门探头以及包括接口电路在内的磁通门系统。1990年，瑞士的T. Seitz首先采用微电子平面工艺制作了世界上第一个微型磁通门传感器，该磁通门将磁芯和感应线圈集成到一个芯片上。此后日本、德国、美国以及瑞士的科学家也都开展了微型磁通门的研究，并相继报道了他们的研究成果。日本的S. Kawahito等从1993年开始先后研制出单芯、双芯、环芯磁通门探头以及探头与接口电路集成在一起的微型磁通门传感器系统；德国的R.Gottfried等于1996年研制出带有三个线圈的与接口电路集成在一个芯片上的双芯磁通门系统，并对此结构的磁通门进行了一系列的研究；1999年，美国的T. M. Liakopouls等首次制作出微结构的长环芯磁通门探头；2000年，瑞典的L.Chiesi等发表了另一种双芯的集成微型磁通门系统。人们利用半导体硅材料研究制作的各种磁通门探头和磁通门系统存在着许多差别，各有其特点。与在PCB板上或其他衬底材料上制作磁通门传感器的方法相比较,在半导体衬底上制作磁通门传感器具有无比的优越性。首先半导体微电子技术的发展已经达到微米、纳米数量级，这对磁通门传感器尺寸的进一步缩小奠定了基础；其次利用半导体衬底不仅可以将磁通门的探头部分集成在一起，而
且还能将磁通门探头及其接口电路制作在同一芯片上，使得整个仪器的尺寸大大减小，同时还能减小损失在连线、分立器件等上的功耗，及其引起的噪声等，进一步提高磁通门的灵敏度和分辨率。

微型磁通门传感器的研究方向如下：①系统化，将探头与接口电路完全集成在一个芯片上，制成真正的磁通门MEMS系统；②阵列化，根据需要在一个芯片上制作一系列磁通门探头不仅可以提高传感器的性能，也可完成某些特定的功能，如制作微型磁罗盘；③利用微加工技术，从而提高磁通门传感器的性能，特别是磁芯的性能；④利用计算机模拟与仿真软件对磁通门的接口电路进行模拟优化，提高电路的性能；⑤利用计算机对微型磁通门探头结构进行模拟计算，以缩短设计周期，提高研究效率，进一步降低成本；⑥向实用化、商品化方向发展，从而促进相关产业的发展。