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《傳感技術(shù)學(xué)報》2015年第十二期
摘要：
針對微型磁通門傳感器降低功耗的要求，利用標準MEMS工藝制備了具有多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的微型磁通門傳感器。經(jīng)過對器件的測試與分析，這一結(jié)構(gòu)的鐵芯能夠降低器件功耗，提高傳感器的整體性能。通過比較不同多孔鐵芯對磁通門最佳激勵電流的影響，綜合考慮器件性能和制備工藝的要求，確定了最佳的設(shè)計參數(shù)。
關(guān)鍵詞：
多孔鐵芯；微型磁通門；MEMS；低功耗
磁通門傳感器是一種具有良好綜合性能的弱磁場測量器件［1］，在航空航天、地球物理、生物磁場檢測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。得益于近年來MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems）技術(shù)的提高，微型磁通門因其尺寸小，易于集成的優(yōu)點逐漸受到關(guān)注。微型磁通門雖然縮減了器件的尺寸，但由于其必須工作在飽和激勵下，因此整體功耗并沒有因尺寸減小而得到明顯降低，相反由于散熱面積變小，導(dǎo)致工作過程中所釋放熱量更為集中，從而帶來嚴重的散熱問題，影響了片上系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。因此微型磁通門目前急需解決的問題是降低功耗［2-5］。目前的降低功耗的方法大多是借助外部電路實現(xiàn)，存在很多問題。比如脈沖激勵技術(shù)［6］，保持激勵電流峰值的同時，減小其脈沖寬度，從而降低激勵電流的有效值，這一方法雖然有效，但會降低器件的靈敏度并使噪聲增大，同時也影響了整個系統(tǒng)的電磁兼容性。激勵調(diào)諧的方法可降低功耗而不增大剩磁誤差［7，8］，但是整個調(diào)諧過程非常困難，不易采用。RTD（ResidenceTimesDifference）磁通門，可以降低功耗，但會增大剩磁誤差，且僅限在低頻范圍應(yīng)用［9，10］。本文從優(yōu)化微型磁通門的鐵芯結(jié)構(gòu)入手，尋求更為有效的降低功耗的方法，通過對低功耗微型磁通門進行制備與分析，比較不同多孔鐵芯對磁通門最佳激勵電流的影響，綜合考慮器件參數(shù)和制備工藝的要求，確定最佳的設(shè)計參數(shù)，以提高微型磁通門的整體性能。
1理論分析
閉合磁路微型磁通門當(dāng)施加正弦激勵電流ie=Imsin（ωt）時，鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生磁場強度為Hmsin（ωt）的磁場，若被測磁場為Hx，則磁通門的輸出電壓u。最佳激勵電流分為兩部分，第1部分電流用來產(chǎn)生所需的最佳激勵磁場，第2部分電流用來克服退磁效應(yīng)。要減小最佳激勵電流的目的，應(yīng)當(dāng)從降低第2部分電流值著手［11］。分析式中的各影響因素發(fā)現(xiàn)，減小μr雖然能夠降低最佳激勵電流，但是同時會造成靈敏度的降低，故而不宜采用；Hs主要由材料性質(zhì)決定；（l/N1）D則主要由磁通門的結(jié)構(gòu)決定。根據(jù)以上分析，磁通門的改進可以從材料性能提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面入手，達到降低功耗、提升性能的目的。本文著重通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，來減小最佳激勵電流，達到降低功耗的目的。經(jīng)有限元分析，采用多孔結(jié)構(gòu)鐵芯能夠提高感應(yīng)線圈對應(yīng)鐵芯部分的細長比，明顯減小退磁系數(shù)D，同時有利于增加激勵線圈對應(yīng)鐵芯部分的有效橫截面積，從而實現(xiàn)磁通門的功耗降低［12］。為驗證這一優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可通過加工制備實際MEMS器件并加以測試。
2微型磁通門的制備
優(yōu)化鐵芯結(jié)構(gòu)是提高磁通門性能的有效方法，具有多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的微型磁通門的MEMS工藝制備流程可分為以下步驟，如圖1所示。準備階段1~3：①選擇500μm厚度的4寸硅片作為基底，硅片表面有300nm厚的SiO2層絕緣層。②采用剝離工藝濺射制備50nm厚度的Ti過渡層。③通過磁控濺射工藝沉積150nm厚度的電鍍Cu種子層（圖1（a））。制作底層線圈4~6：④光刻套刻工藝，光刻膠（AZ4620）厚度約為5μm；電鍍Cu工藝制備得到底層線圈，厚度4μm（圖1（b））。⑤光刻套刻工藝，光刻膠（AZ4620）厚度約為5μm；采用電鍍工藝制備4μm厚度上下層連接銅柱（圖1（c））。⑥濕法刻蝕電鍍Cu種子層。鐵芯制作7~9：⑦在底層線圈上旋涂聚酰亞胺作為絕緣層和保護層，然后升溫固化。⑧對聚酰亞胺表面進行氮離子轟擊處理，增加粘附性，然后濺射100nm厚Cu種子層。⑨光刻套刻工藝，電鍍NiFe得到鐵芯，厚度為1μm（圖1（d））。制作上層線圈10~13：⑩旋涂聚酰亞胺絕緣/保護層；升溫固化后，采用RIE刻蝕工藝，將連接銅柱上的聚酰亞胺層除去。對聚酰亞胺表面進行氮離子轟擊處理，增加粘附性。濺射Cu種子層，厚度為150nm。光刻套刻后，電鍍Cu得到高出鐵芯平面的上下層連接銅柱（圖1（e））。光刻套刻后，電鍍Cu得到上層線圈，厚度為4μm（圖1（f））。
制作焊盤及劃片槽14~15：光刻套刻后，電鍍Cu制備焊盤，厚度為4μm（圖1（g））。�旋涂聚酰亞胺絕緣/保護層；濕法刻蝕掉焊盤和劃片槽上的聚酰亞胺；然后升溫固化（圖1（h））。后期處理16~18：測試。劃片。封裝。微型磁通門部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，多孔鐵芯的孔形狀為六邊形，呈陣列式排布。不同尺寸的孔會對功耗產(chǎn)生不同的影響［13］，為了找到合適的孔徑參數(shù)，制備過程完成了幾種不同孔徑的多孔鐵芯微型磁通門以便對比。多孔鐵芯的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，多孔鐵芯寬度W1與同一行的各孔孔壁之和SW2i的比值為鐵芯的縮小比，即縮小比=W1/SW2i。制備得到的4種不同的多孔鐵芯，其顯微照片如圖4所示。4種結(jié)構(gòu)中的最大寬度W1均為1200μm，最小寬度SW2i依次為400μm、300μm、240μm、200μm，因此4種結(jié)構(gòu)的縮小比依次為3∶1，4∶1，5∶1，6∶1。
3測試與分析
測試系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。任意信號發(fā)生器和功率放大器級聯(lián)產(chǎn)生激勵信號用于激勵磁通門。為了測量激勵電流，在激勵電路上串聯(lián)一個電流表。被測外部磁場由直流電源激勵螺線管產(chǎn)生，為了標定被測磁場的大小，可在螺線管前串聯(lián)電流表測試螺線管電流。線圈放置應(yīng)遠離鐵磁物質(zhì)，以防止干擾。測試前用磁強計對螺線管內(nèi)磁場進行零位校準。微型磁通門的感應(yīng)線圈兩端接示波器，分析輸出的電壓信號。使磁通門的鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生最佳激勵磁場的激勵電流稱為最佳激勵電流。最佳激勵電流越小，意味著磁通門的功耗越小。因此可以通過最佳激勵電流這一指標衡量幾種多孔結(jié)構(gòu)磁通門的功耗高低。
多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的縮小比不同，會對最佳激勵電流產(chǎn)生不同的影響，為此在相同的外磁場下，對幾種不同的多孔鐵芯磁通門進行了測試與比較。圖6給出了在被測外磁場為50μT，采用300kHz固定激勵的情況下，四種微型磁通門的輸出電壓二次諧波幅值隨激勵電流的變化。如圖6所示，輸出電壓的二次諧波幅值隨著激勵電流的增大而呈現(xiàn)先增大后飽和的趨勢，曲線趨于飽和處的拐點所對應(yīng)的激勵電流即為最佳激勵電流。由曲線變化可以看出，隨著鐵芯縮小比從3∶1到5∶1的增大，最佳激勵電流呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，由115mA降至80mA，這說明縮小比越大，相應(yīng)的最佳激勵電流越小。當(dāng)縮小比達到5∶1之后，感應(yīng)線圈對應(yīng)鐵芯部分的細長比對退磁系數(shù)D的影響已經(jīng)非常大，繼續(xù)增大多孔鐵芯的縮小比到6∶1，退磁系數(shù)進一步降低的空間已十分有限，但是同時漏磁卻會明顯增大，并不利于減小激勵電流，兩者綜合作用，使降低縮小比對減小最佳激勵電流的影響開始明顯減弱。6∶1對應(yīng)的最佳激勵電流僅降至75mA，反而因此時的孔徑過大，出現(xiàn)孔壁斷開等瑕疵增多的現(xiàn)象。因此，多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的縮小比選取5∶1比較合適，這一參數(shù)能在充分減小最佳激勵電流的同時，保證MEMS工藝的良品率。
4結(jié)論
采用多孔結(jié)構(gòu)對鐵芯進行了優(yōu)化設(shè)計，并通過MEMS工藝制備了多孔鐵芯微型磁通門傳感器。經(jīng)過測試分析，驗證了多孔結(jié)構(gòu)鐵芯能夠有效降低器件功耗，提升傳感器的整體性能。由測試結(jié)果可知，提高鐵芯的縮小比有利于降低最佳激勵電流從而減小功耗。在綜合考慮器件性能和MEMS加工工藝的前提下，選取5∶1的縮小比作為多孔鐵芯的設(shè)計參數(shù)，能夠在保證良品率的同時，充分降低功耗，在兩者之間取得平衡。
作者：呂輝 李隨源 單位：河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院 焦作師范高等專科學(xué)校理工學(xué)院