[發(fā)明專利]一種微機電系統(tǒng)磁通門地磁張量傳感芯片

有效

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• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113253162B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設計）人: 雷沖;劉佳寧
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02;G01R33/022;G01R33/04;G01R33/10;G01R33/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產(chǎn)權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發(fā)明公開了一種微機電系統(tǒng)磁通門地磁張量傳感芯片，包括玻璃襯底、平面微機電系統(tǒng)磁通門傳感器件陣列和硅支撐片；該傳感器件陣列含有五個磁通門傳感單元，分別位于十字形結構的四個頂點和中心點位置，每個單元由垂直正交的兩個單軸磁通門傳感器件組成；該傳感器件陣列中的同軸同向單軸磁通門傳感器件相對中心點呈平行對稱分布，相鄰的同軸同向單軸磁通門傳感器件間距相等；該傳感器件陣列通過硅?玻璃鍵合固定至硅支撐片上下表面，位于上下平面的各磁通門傳感單元在垂直方向上一一平行重合對應。本發(fā)明可以有效實現(xiàn)地磁場張量測量，極大縮小了磁通門張量儀體積，大幅提升了磁通門張量儀的測量精度，有力促進了地磁場張量測量技術廣泛實際應用。

技術領域

本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)領域，尤其涉及一種微機電系統(tǒng)磁通門地磁張量傳感芯片。

背景技術

磁梯度張量為磁矢量在不同方向的變化率，由于磁梯度張量抗干擾能力強，且對于磁源體形態(tài)特征具有更高的分辨率和精度，因此可以較為直觀地顯示待測磁體的空間幾何信息。由于磁梯度張量可以反應周圍物體的梯度，因此具有十分廣泛的應用前景。在地質勘探、未爆物定位、內(nèi)窺鏡醫(yī)療與殘障人士避障導航等方面均有優(yōu)秀的適用性。磁通門傳感器是基于簡單的變壓器效應的矢量磁場傳感器，具有更好的實用性與更為寬泛的使用范圍，可以很好滿足磁場張量的探測。因此價格低廉、運動噪聲較小且結構簡單的磁通門傳感器不僅可以完成絕大部分磁探測任務且具有更高的商業(yè)價值。磁通門傳感器也被廣泛用于諸如地質勘探、未爆物定位、智慧醫(yī)療以及導航避障等應用之中。

傳統(tǒng)磁通門傳感器使用一個堅固的骨架作為基座，將軟磁帶狀磁芯固定于骨架上，然后在其上纏繞一個通過電流產(chǎn)生磁場的激勵線圈，和一個在激勵線圈誘發(fā)磁場基礎上檢測外部磁場效應的磁場感應線圈。傳統(tǒng)磁通門傳感器的尺寸較大、靈敏度低以及長期穩(wěn)定性差等缺陷很大程度上限制了其實際應用。

微機電系統(tǒng)(Micro-electromechanical Systems,MEMS)技術是一種基于微電子技術的多學科交叉的全新研究領域。基于MEMS技術的產(chǎn)品擁有體積小、重量輕、成本低與可批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。同時更小的特征尺寸也使傳感器設備更容易集成，實現(xiàn)一些傳統(tǒng)磁通門傳感器無法實現(xiàn)的功能。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構緊湊，體積、質量小，安裝調試簡單，不怕震動撞擊，受環(huán)境溫度變化影響小。采用MEMS技術研制微型磁通門傳感器成為國內(nèi)外研究的熱點之一。

經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Koch R.H.等(Koch R.H.,Keefe G.A.,Allen G.)在《科學儀器評審》(Review of Scientific Instruments,Vol.67(1),pp 230-235,1996)上發(fā)表了“Room temperature three sensor magnetic field gradiometer”(常溫三傳感器磁場梯度儀)一文。該文中寫到，探頭包括四個磁通門，其中三個磁通門帶有反饋線圈，最后一個磁通門沒有反饋線圈，將其作為參考磁通門，利用參考磁通門獲得的磁場值進行電壓電流轉換，將轉化后的電流作用在三個反饋線圈上形成反饋，最后通過帶反饋線圈的磁通門獲得磁梯度張量分量。這套系統(tǒng)測量的張量分量動態(tài)噪聲水平可以達到0.14nT/m·Hz^1/2@1Hz。由于其尺寸較大且不易挪動。與MEMS技術相比，據(jù)此制造的磁通門傳感器便攜性很差，因此實用性較差。

因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種微機電系統(tǒng)磁通門地磁張量傳感芯片。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是如何基于MEMS制造工藝制作性能優(yōu)秀且穩(wěn)定性強的平面微機電系統(tǒng)磁通門傳感器件陣列。