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高性能小型化磁E+E傳感器技術(shù)
一直以來，“磁”在人類歷史進程中扮演著十分重要的角色；尤其是隨著磁電子學的興起，與地磁場相關(guān)的弱磁探測更是迎來了新的發(fā)展契機，無人機磁反潛、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，已成為高性能磁E+E傳感器發(fā)展的一個熱點方向。但目前，1/f噪聲、磁滯和三軸非正交等問題嚴重困擾著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)
在國家自然科學基金項目支持下，從理論探索、仿真設(shè)計、工藝制造及實驗評估等方面對新型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-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論，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。利用電磁場理論和有限元仿真方法深入研究了磁力線垂動調(diào)制、變軌、磁場跟蹤補償、三維磁場聯(lián)合調(diào)控與傳感、機-電-磁噪聲干擾耦合等基本內(nèi)容，并由此提出了機-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論。基于動態(tài)分流思想提出的垂動調(diào)制方式通過高頻振動的機-電-磁微結(jié)構(gòu)直接調(diào)制被測磁場，可大幅降低1/f噪聲對GMR磁E+E傳感器低頻探測能力的限制，與現(xiàn)有調(diào)制方式相比具有調(diào)制效率高、結(jié)構(gòu)工藝簡單等優(yōu)勢；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)三維磁場的平面化測量，從而有效提升其三軸正交性；基于磁疇運動規(guī)律揭示了GMR磁敏感體中磁滯產(chǎn)生的內(nèi)在機理，并指出通過跟蹤補償被測磁場，可使磁敏感體內(nèi)磁化狀態(tài)基本保持恒定，從而實現(xiàn)對磁滯和非線性的抑制；基于垂動調(diào)制、變軌和磁場跟蹤補償?shù)却艌稣{(diào)控方式建立的三維磁場聯(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械振動噪聲的耦合機理模型，揭示了機-電-磁微結(jié)構(gòu)中多物理場耦合作用的主要規(guī)律，進一步豐富和完善了上述磁場傳感理論。提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器設(shè)計方案，并建立了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法?；跈C-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論，將GMR磁敏感體、垂動調(diào)制膜、變軌軟磁塊、微硅壓電回旋梁以及微補償線圈等結(jié)構(gòu)有機融合，提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁E+E傳感器設(shè)計方案?；谙瓤傮w再局部和對稱分層的設(shè)計思想，綜合運用電磁和結(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)等為核心評價指標的優(yōu)化設(shè)計方法。利用ANSYS磁場有限元仿真方法完成了垂動調(diào)制膜和變軌結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，調(diào)制效率和變軌系數(shù)分別達到了30%和0.65;利用COMSOL結(jié)構(gòu)有限元分析方法對微硅壓電回旋梁進行了結(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)位移為評價指標，對其尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計；利用MAXWELL電磁有限元仿真方法對微補償線圈在軟磁微結(jié)構(gòu)作用下的勵磁規(guī)律進行了研究，并根據(jù)電磁感應(yīng)常數(shù)、電阻及功耗等評價指標完成了微補償線圈的優(yōu)化設(shè)計。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,相對磁導(dǎo)率高于1000,*滿足磁E+E傳感器對軟磁微結(jié)構(gòu)的要求；針對常用傳遞式對準標記系統(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)制造的基準式對準標記系統(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；基于濕法計時減薄方法，實現(xiàn)了高度控制層的厚度精確控制，同時采用降低腐蝕溫度和加強清洗的方法來抑制“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)蝕補償和腐蝕工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了大深寬比微補償線圈的制造；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)高精度對準方法和基于旋膠-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。以上實驗結(jié)果較好地驗證了機-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場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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