中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
磁通門(mén)傳感器是由電磁感應效應衍生出來(lái)的一類(lèi)主動(dòng)式感應變壓器，能夠感應到外界微弱的直流或低頻磁場(chǎng)，因其在噪聲、溫度穩定性、磁場(chǎng)分辨率和靈敏度方面的優(yōu)勢，被廣泛應用于定位跟蹤、航空航天、地磁探測和電流檢測等領(lǐng)域。目前，各類(lèi)設備都朝著(zhù)小型化發(fā)展，對磁通門(mén)質(zhì)量、體積、功耗、集成度有了更高的要求，因此磁通門(mén)傳感器的微型化研究十分必要，MEMS加工為此提供了技術(shù)基礎。
近期，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院、西南應用磁學(xué)研究所等研究人員針對MEMS磁通門(mén)傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，相關(guān)內容發(fā)表在《磁性材料及器件》期刊。研究人員簡(jiǎn)要分析了磁通門(mén)傳感器的基本原理，闡述了微型磁通門(mén)傳感器工藝技術(shù)的發(fā)展歷史，包括微加工技術(shù)、PCB技術(shù)和MEMS技術(shù)；重點(diǎn)總結了MEMS磁通門(mén)結構工藝的發(fā)展歷程以及MEMS正交磁通門(mén)發(fā)展狀況；介紹了MEMS磁通門(mén)傳感器在相應場(chǎng)合的應用優(yōu)勢與發(fā)展狀況，并展望了此領(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)。
磁通門(mén)傳感器是一類(lèi)基于法拉第電磁感應定律的一種主動(dòng)感應型變壓器式器件。磁通門(mén)根據被測磁場(chǎng)方向與激勵磁場(chǎng)方向的位置關(guān)系分為平行磁通門(mén)和正交磁通門(mén)兩種。
平行磁通門(mén)結構
正交磁通門(mén)結構
MEMS磁通門(mén)傳感器研究
近20年來(lái)，隨著(zhù)加工工藝的進(jìn)步，微型磁通門(mén)愈發(fā)成為了一個(gè)備受關(guān)注的課題，其研究?jì)热莺w了微型結構設計、工藝設計、磁通門(mén)材料、信號分析與處理等多個(gè)領(lǐng)域，制作方式也從早期硅微加工工藝、PCB工藝發(fā)展到如今的MEMS工藝，研究者們已經(jīng)初步實(shí)現了線(xiàn)圈的微型化和磁芯的集成。如何進(jìn)一步將磁通門(mén)傳感器微型化、提高微型化磁通門(mén)的性能，是磁通門(mén)研究者們不斷追求的一個(gè)目標。
在工藝技術(shù)研究方面，2000年，Chiesi等人第一次利用完整的CMOS工藝制作了微型磁通門(mén)傳感器。2006年，Choi等人首次將雙軸磁通門(mén)傳感器集成到芯片上，擴大了MEMS磁通門(mén)傳感器的應用領(lǐng)域。
在結構研究方面，2017年，呂輝等人采用多孔結構對鐵芯進(jìn)行拓撲結構優(yōu)化，降低了磁通門(mén)的功耗。2020年，Szewczyk等人通過(guò)仿真證實(shí)了磁芯長(cháng)度的增加顯著(zhù)降低了退磁因子，提高了磁通門(mén)傳感器的靈敏度。
在MEMS磁通門(mén)領(lǐng)域中，正交型磁通門(mén)的發(fā)展尤其值得一提。正交型磁通門(mén)結構簡(jiǎn)單、功耗低，同時(shí)具有較好的靈敏度，這些特點(diǎn)使得正交型磁通門(mén)在MEMS領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展十分有利。2018年，Tobias Heimfarth在原有MEMS正交磁通門(mén)的基礎上對激勵電流增設了直流偏置，研究證明了正交磁通門(mén)基本模型（FMOF）的可行性。隨著(zhù)加工工藝的進(jìn)步，MEMS正交磁通門(mén)可望有良好的發(fā)展前景。
MEMS磁通門(mén)傳感器應用
微型化磁通門(mén)傳感器因其小尺寸、低成本、高集成度和高匹配性的等特性，在很多領(lǐng)域的應用優(yōu)勢十分突出，如機器人測試、電流傳感器、生物磁探測、太空探測、小型無(wú)人機等領(lǐng)域。
MEMS磁通門(mén)兼具傳統磁通門(mén)魯棒性好、靈敏度高、噪聲低的特點(diǎn)和MEMS工藝帶來(lái)的小型化、集成度高、匹配性好的優(yōu)點(diǎn)，是探測小型設備產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)或被小型設備搭載探測外磁場(chǎng)的一個(gè)新方案。2010年，Maren Ramona等人實(shí)現了將跑道型單軸微型磁通門(mén)傳感器用來(lái)測量機器人關(guān)節的角度位置，可滿(mǎn)足并行機器人高級實(shí)時(shí)工作空間監控的需求。2020年，Sierra Luoma等人將MEMS磁通門(mén)磁力計與無(wú)人駕駛飛機結合進(jìn)行地球物理勘探和環(huán)境檢測，進(jìn)一步提高了所測地磁場(chǎng)的精度和分辨率，產(chǎn)生了具有強邊緣特征和消磁信號的高分辨率地圖。
磁通門(mén)傳感器可以在常溫工作，無(wú)需與磁場(chǎng)源保持一定距離，它使用主動(dòng)驅動(dòng)，低頻噪聲低，是探測生物磁場(chǎng)的一個(gè)有利選擇。2019年，Carlo Trigona等人利用MEMS柔性RTD磁通門(mén)對神經(jīng)退行患者大腦的特定位置所積累的鐵磁物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測，與目前其他磁探測相比，MEMS磁通門(mén)傳感器的功耗更低、體積更小、空間分辨率更高。
2015年3月，美國航天局啟動(dòng)了“磁層多尺度任務(wù)”，該航天器搭載了模擬磁通門(mén)磁強計和deltasigma磁通門(mén)磁強計，并集成了奧地利IWF格拉茨開(kāi)發(fā)的定制專(zhuān)用集成電路，有效解決了傳統磁通門(mén)因體積重量無(wú)法裝載于此類(lèi)航天器的問(wèn)題，為太空探測提供了一些新思路。
總而言之，MEMS磁通門(mén)是一項非常有前景的技術(shù)，不僅能滿(mǎn)足各種場(chǎng)合對小尺寸、高精度、低功耗、高魯棒性等的要求，還可以滿(mǎn)足高集成度、高匹配性、低成本的要求，給各領(lǐng)域的磁測量提供了新的方案。
未來(lái)，MEMS磁通門(mén)傳感器需要進(jìn)一步優(yōu)化其結構、制作工藝、磁芯材料、電路匹配，以獲得靈敏度更高、噪聲更低、結構適配度更好的探頭。目前基于MEMS工藝的二維磁通門(mén)傳感器技術(shù)已經(jīng)相當成熟，相信隨著(zhù)MEMS技術(shù)的發(fā)展，可集成的MEMS三軸磁通門(mén)傳感器亦將為時(shí)不遠。
