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高性能小型化磁E+E傳感器技術(shù)
一直以來，“磁”在人類歷史進(jìn)程中扮演著十分重要的角色；尤其是隨著磁電子學(xué)的興起，與地磁場(chǎng)相關(guān)的弱磁探測(cè)更是迎來了新的發(fā)展契機(jī)，無人機(jī)磁反潛、地磁導(dǎo)航、智能磁引信等新興弱磁應(yīng)用正急需高性能小型化的三軸磁E+E傳感器。GMR磁E+E傳感器因體積小、功耗低、靈敏度較高等優(yōu)勢(shì)，已成為高性能磁E+E傳感器發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向。但目前，1/f噪聲、磁滯和三軸非正交等問題嚴(yán)重困擾著GMR磁E+E傳感器的發(fā)展。

高性能小型化磁E+E傳感器技術(shù)
在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，從理論探索、仿真設(shè)計(jì)、工藝制造及實(shí)驗(yàn)評(píng)估等方面對(duì)新型MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器開展了系統(tǒng)深入的研究，取得了豐富的成果。提出了一套機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感理論，為克服GMR磁E+E傳感器的1/f噪聲、磁滯和三軸非正交等普遍性問題提供了系統(tǒng)的解決方法。利用電磁場(chǎng)理論和有限元仿真方法深入研究了磁力線垂動(dòng)調(diào)制、變軌、磁場(chǎng)跟蹤補(bǔ)償、三維磁場(chǎng)聯(lián)合調(diào)控與傳感、機(jī)-電-磁噪聲干擾耦合等基本內(nèi)容，并由此提出了機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感理論。基于動(dòng)態(tài)分流思想提出的垂動(dòng)調(diào)制方式通過高頻振動(dòng)的機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)直接調(diào)制被測(cè)磁場(chǎng)，可大幅降低1/f噪聲對(duì)GMR磁E+E傳感器低頻探測(cè)能力的限制，與現(xiàn)有調(diào)制方式相比具有調(diào)制效率高、結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)；提出的磁力線變軌調(diào)控方式通過特定軟磁微結(jié)構(gòu)將垂直的Z向磁場(chǎng)引導(dǎo)至X-Y平面，使GMR磁E+E傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)三維磁場(chǎng)的平面化測(cè)量，從而有效提升其三軸正交性；基于磁疇運(yùn)動(dòng)規(guī)律揭示了GMR磁敏感體中磁滯產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理，并指出通過跟蹤補(bǔ)償被測(cè)磁場(chǎng)，可使磁敏感體內(nèi)磁化狀態(tài)基本保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁滯和非線性的抑制；基于垂動(dòng)調(diào)制、變軌和磁場(chǎng)跟蹤補(bǔ)償?shù)却艌?chǎng)調(diào)控方式建立的三維磁場(chǎng)聯(lián)合調(diào)控與傳感理論能夠有效提升GMR三軸磁E+E傳感器的綜合性能；基于等效電路分析方法，建立了靜電干擾和機(jī)械振動(dòng)噪聲的耦合機(jī)理模型，揭示了機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)中多物理場(chǎng)耦合作用的主要規(guī)律，進(jìn)一步豐富和完善了上述磁場(chǎng)傳感理論。提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器設(shè)計(jì)方案，并建立了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。基于機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感理論，將GMR磁敏感體、垂動(dòng)調(diào)制膜、變軌軟磁塊、微硅壓電回旋梁以及微補(bǔ)償線圈等結(jié)構(gòu)有機(jī)融合，提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器設(shè)計(jì)方案。基于先總體再局部和對(duì)稱分層的設(shè)計(jì)思想，綜合運(yùn)用電磁和結(jié)構(gòu)有限元仿真方法，系統(tǒng)地建立了以調(diào)制效率、變軌系數(shù)、模態(tài)頻率及電磁感應(yīng)常數(shù)等為核心評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用ANSYS磁場(chǎng)有限元仿真方法完成了垂動(dòng)調(diào)制膜和變軌結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)制效率和變軌系數(shù)分別達(dá)到了30%和0.65;利用COMSOL結(jié)構(gòu)有限元分析方法對(duì)微硅壓電回旋梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)和抗干擾能力分析，并以一階模態(tài)頻率和靜態(tài)位移為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；利用MAXWELL電磁有限元仿真方法對(duì)微補(bǔ)償線圈在軟磁微結(jié)構(gòu)作用下的勵(lì)磁規(guī)律進(jìn)行了研究，并根據(jù)電磁感應(yīng)常數(shù)、電阻及功耗等評(píng)價(jià)指標(biāo)完成了微補(bǔ)償線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)。突破了硅基軟磁微結(jié)構(gòu)制備、微硅結(jié)構(gòu)高精加工、微補(bǔ)償線圈制備和多層微結(jié)構(gòu)低溫互聯(lián)等關(guān)鍵工藝，建立了一套較為完備的MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器探頭制造工藝體系。采用磁控濺射種子層和掩模電鍍方法，實(shí)現(xiàn)了大厚度單晶硅基軟磁微結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量制備，經(jīng)表征，沉積的Ni Fe膜厚度大于10μm,相對(duì)磁導(dǎo)率高于1000,*滿足磁E+E傳感器對(duì)軟磁微結(jié)構(gòu)的要求；針對(duì)常用傳遞式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)誤差較大的不足，建立了一套適用于MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器微結(jié)構(gòu)制造的基準(zhǔn)式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)；建立了以溫度、濃度和清潔度為關(guān)鍵工藝條件的單晶硅濕法腐蝕控制方法，有效提高了微硅結(jié)構(gòu)的面形加工精度；基于濕法計(jì)時(shí)減薄方法，實(shí)現(xiàn)了高度控制層的厚度精確控制，同時(shí)采用降低腐蝕溫度和加強(qiáng)清洗的方法來抑制“金字塔”凸起，所得表面的粗糙度優(yōu)于30nm;采用氧等離子體清洗技術(shù)，提高了Cr/Cu/Cr復(fù)合金屬膜與玻璃基底的結(jié)合性能，并通過側(cè)蝕補(bǔ)償和腐蝕工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了大深寬比微補(bǔ)償線圈的制造；為了解決低溫條件下多層微結(jié)構(gòu)的高精度互聯(lián)問題，提出了基于水膜吸附的分立微結(jié)構(gòu)高精度對(duì)準(zhǔn)方法和基于旋膠-蘸膠方式的膠粘固聯(lián)工藝，可有效提高磁E+E傳感器探頭制造精度。基于上述工藝方法zui終建立了一套較為完備的MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器探頭制造工藝體系。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地驗(yàn)證了機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感理論的有效性和正確性。

高性能小型化磁E+E傳感器技術(shù)
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