CN218675272U - 基于螺旋线形磁芯的mems磁通门传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，属于磁场检测元件技术领域。本实用新型包括：螺旋线形磁芯、两组磁力线聚集器、检测线圈、四组激励线圈，所述螺旋线形磁芯由一根线条在平面内曲折回旋形成，线条之间形成间隙，两组磁力线聚集器对称地设置在所述多重环形磁芯的长轴方向的两端，检测线圈绕装在所述多重环形磁芯中部的外侧，检测线圈具有两个检测线圈引脚，四组激励线圈绕装在所述多重环形磁芯上且位于所述检测线圈的两侧，四组激励线圈连接且具有两个激励线圈引脚。本实用新型在螺旋线形磁芯的线条之间设置间隔，相较于传统跑道形磁芯散热加快，还降低了MEMS磁通门传感器工作的自身磁噪声和热噪声。
Description
技术领域
本实用新型属于磁场检测元件技术领域，尤其是涉及基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器。
背景技术
磁通门是一种常见的磁场检测元件，其基本的原理是软磁环形磁芯在交变激励信号的磁化作用下，环形磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化，从而使围绕在环形磁芯上的感应线圈感应出反应外界磁场的信号，由于对弱磁场检测的高灵敏性，所有广泛应用于地磁导航、探矿以及电流检测等更是作为航空航天器的姿态敏感器而被广泛使用。
传统的磁通门是将软磁带状环形磁芯固定在一个骨架上，然后在其上缠绕激励和检测线圈，由于利用的是传统的机械加工的方法，使得其体积大、高重量、灵敏度低及长期稳定性差，二期批量生产的成本高，一致性差，装配误差较大，容易受到温度、应力和机械振动的影响，输出误差较大，需要复杂的校准和补偿电路，同时磁通门探头和电路是分开加工的，这些原因使得传统的磁通门无法在小体积、小质量和高空间分辨率的场合应用，比如:磁头、传感器阵列、便携设备、电子罗盘、电流传感器和生物医学领域等。
随着微电子技术的发展，利用微纳加工方法制造磁通门成为可能。基于微加工技术制造的微型磁通门具有小型化，低功耗，高集成，一致性好等优势，并且还能够较容易和的IC电路进行集成，在小卫星、智慧炸弹等的姿态控制和导航具有巨大的应用潜力，采用MEMS （微机电***）技术研制的微型化磁通门传感器将具有体积小、重量轻、安装方便及易于集成等优势，在新能源汽车电源监控，电流检测等方面也将会获得巨大的经济效益和显著的社会效益。
虽然已经有相关的MEMS磁通门研制成功，但是目前其检测灵敏度和传统磁通门还有一定差距，这限制了MEMS磁通门传感器在高精度磁场、电流检测的应用推广。
申请人于2022年6月27日申请了发明专利“一种基于锥形聚磁器的MEMS磁通门传感器及其制造方法”，申请号为2022107378487，通过利用锥型磁力线聚集器提高了对待检测弱磁场的聚集和放大，从而提高了MEMS磁通门对弱磁场的检测分辨率，而且利用锥型磁力线聚集器可以提高MEMS磁通门对大磁场的磁冲击的抵御，提高了检测的稳定性和抗冲击性，这将推进MEMS磁通门传感器在高精度磁场检测领域的具体应用。
申请人在后续研究中，发现上述专利的“基于锥形聚磁器的MEMS磁通门传感器”存在以下问题：MEMS磁通门传感器工作时候的磁芯表面存在涡流效应和热噪声问题，涡流会使涡流会使导体发热，消耗能量。
实用新型内容
本实用新型旨在解决以下技术问题：MEMS磁通门传感器工作时候的磁芯表面存在涡流效应和热噪声问题，涡流会使涡流会使导体发热，消耗能量，提供一种基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，包括：螺旋线形磁芯，所述螺旋线形磁芯呈矩形形状的环形，所述螺旋线形磁芯由一根线条在平面内曲折回旋形成，线条之间形成间隙；两组磁力线聚集器，两组磁力线聚集器对称地设置在所述螺旋线形磁芯的长轴方向的两端，磁力线聚集器与所述螺旋线形磁芯之间具有间距；检测线圈，检测线圈绕装在所述螺旋线形磁芯中部的外侧，检测线圈的绕装方向沿所述螺旋线形磁芯的短轴方向，检测线圈具有两个检测线圈引脚；四组激励线圈，四组激励线圈绕装在所述螺旋线形磁芯上且位于所述检测线圈的两侧，四组激励线圈关于所述螺旋线形磁芯的短轴对称设置且关于所述螺旋线形磁芯的长轴对称设置，每组激励线圈从所述螺旋线形磁芯的中间穿过再绕装到螺旋线形磁芯的外侧，四组激励线圈连接且具有两个激励线圈引脚。
作为一种优选的技术方案，所述MEMS磁通门传感器包括传感器外壳，所述传感器外壳内填充有聚酰亚胺填充物，使得所述螺旋线形磁芯、两组磁力线聚集器、检测线圈、四组激励线圈的表面包裹聚酰亚胺，两个检测线圈引脚、两个激励线圈引脚露出于所述传感器外壳表面。
作为一种优选的技术方案，所述磁力线聚集器为锥型磁力线聚集器，所述磁力线聚集器的小端靠近所述螺旋线形磁芯。
作为一种优选的技术方案，所述环形磁芯单体采用NiFe合金电镀制造。
作为一种优选的技术方案，所述磁力线聚集器采用FeNi合金电镀制造。
作为一种优选的技术方案，所述检测线圈和激励线圈为三维螺旋形线圈，螺旋形线圈的单个绕圈呈矩形环状，螺旋形线圈的线截面呈矩形。
采用上述技术方案后，本实用新型具有如下优点：
本实用新型的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，相较于基于传统跑道形磁芯的MEMS磁通门传感器，将一根线条在平面内曲折回旋形成一体式的螺旋线形磁芯，螺旋线形磁芯与传统跑道形磁芯的磁场相当，但螺旋线形磁芯的线条之间设置间隔，相较于传统跑道形磁芯散热加快，还降低了MEMS磁通门传感器工作的自身磁噪声和热噪声。
附图说明
图1为基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器的结构示意图；
图2为基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器俯视图；
图中：
1-衬底；2-螺旋线形磁芯；3-磁力线聚集器；4-激励线圈；5-检测线圈；6-激励线圈引脚；7-检测线圈引脚；8-传感器外壳。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1-2所示，基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，包括：传感器外壳8、螺旋线形磁芯2、两组磁力线聚集器3、检测线圈5、四组激励线圈4。螺旋线形磁芯2、两组磁力线聚集器3、检测线圈5、四组激励线圈4设置在衬底1上。
所述螺旋线形磁芯2呈矩形形状的环形，所述螺旋线形磁芯2由一根线条在平面内曲折回旋形成，线条之间形成间隙。所述的螺旋线形磁芯2采用NiFe合金材料通过电镀工艺制造，并且加工后进行退火，提高软磁特性和方向性。
需要理解的是，此处“螺旋线形磁芯2呈矩形形状的环形”并不是指螺旋线形磁芯2为标准矩形形状的封闭环形，而是类似于矩形形状，比如是介于矩形和椭圆形之间的形状。
两组磁力线聚集器3对称地设置在所述螺旋线形磁芯2的长轴方向的两端，磁力线聚集器3与所述螺旋线形磁芯2之间具有间距。磁力线聚集器3为FeNi合金材料通过电镀工艺制造，并且加工后进行退火，提高软磁特性和方向性。
优选的，所述磁力线聚集器3为锥型磁力线聚集器，所述磁力线聚集器3的小端靠近所述螺旋线形磁芯2。
检测线圈5绕装在所述螺旋线形磁芯2中部的外侧，检测线圈5的绕装方向沿所述螺旋线形磁芯2的短轴方向，检测线圈5具有两个检测线圈引脚7。
四组激励线圈4绕装在所述螺旋线形磁芯2上且位于所述检测线圈5的两侧，四组激励线圈4关于所述螺旋线形磁芯2的短轴对称设置且关于所述螺旋线形磁芯2的长轴对称设置，每组激励线圈4从所述螺旋线形磁芯2的中间穿过再绕装到螺旋线形磁芯2的外侧，四组激励线圈4连接且具有两个激励线圈引脚6。
所述检测线圈5和激励线圈4为三维螺旋形线圈，螺旋形线圈的单个绕圈呈矩形环状，螺旋形线圈的线截面呈矩形。这里螺旋形线圈的单个绕圈形状和线截面形状均是由螺旋形线圈的电镀工艺决定的。
所述传感器外壳8内填充有聚酰亚胺填充物，使得所述螺旋线形磁芯2、两组磁力线聚集器3、检测线圈5、四组激励线圈4的表面包裹聚酰亚胺，两个检测线圈引脚6、两个激励线圈引脚7露出于所述传感器外壳8表面。这里聚酰亚胺填充物起到绝缘和支撑作用。
工作时，激励线圈4交流电流使螺旋线形磁芯2处于饱和状态，在没有外部磁场时，检测线圈5没有任何信号输出；当有外部磁场存在时，磁力线聚集器3会将外部磁场进行聚集和放大，检测线圈5会有输出信号，信号为偶次谐波，经滤波后可得到二次谐波信号。二次谐波信号大小与外部磁场成正比，因此可测量外部磁场大小和方向。
本实施例的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其制造方法可参考申请号为2022107378487的发明专利“一种基于锥形聚磁器的MEMS磁通门传感器及其制造方法”。与其略微不同的是：步骤6中通过光刻工艺图形化环形磁芯图形的环形磁芯图形不同。
除上述优选实施例外，本实用新型还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本实用新型作出各种改变和变形，只要不脱离本实用新型的精神，均应属于本实用新型所附权利要求所定义的范围。
Claims (6)
1.基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其特征在于，包括：
螺旋线形磁芯，所述螺旋线形磁芯呈矩形形状的环形，所述螺旋线形磁芯由一根线条在平面内曲折回旋形成，线条之间形成间隙；
两组磁力线聚集器，两组磁力线聚集器对称地设置在所述螺旋线形磁芯的长轴方向的两端，磁力线聚集器与所述螺旋线形磁芯之间具有间距；
检测线圈，检测线圈绕装在所述螺旋线形磁芯中部的外侧，检测线圈的绕装方向沿所述螺旋线形磁芯的短轴方向，检测线圈具有两个检测线圈引脚；
四组激励线圈，四组激励线圈绕装在所述螺旋线形磁芯上且位于所述检测线圈的两侧，四组激励线圈关于所述螺旋线形磁芯的短轴对称设置且关于所述螺旋线形磁芯的长轴对称设置，每组激励线圈从所述螺旋线形磁芯的中间穿过再绕装到螺旋线形磁芯的外侧，四组激励线圈连接且具有两个激励线圈引脚。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其特征在于，所述MEMS磁通门传感器包括传感器外壳，所述传感器外壳内填充有聚酰亚胺填充物，使得所述螺旋线形磁芯、两组磁力线聚集器、检测线圈、四组激励线圈的表面包裹聚酰亚胺，两个检测线圈引脚、两个激励线圈引脚露出于所述传感器外壳表面。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其特征在于，所述磁力线聚集器为锥型磁力线聚集器，所述磁力线聚集器的小端靠近所述螺旋线形磁芯。
4.根据权利要求1所述的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其特征在于，所述螺旋线形磁芯采用NiFe合金电镀制造。
5.根据权利要求1所述的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其特征在于，所述磁力线聚集器采用FeNi合金电镀制造。
6.根据权利要求1所述的基于螺旋线形磁芯的MEMS磁通门传感器，其特征在于，所述检测线圈和激励线圈为三维螺旋形线圈，螺旋形线圈的单个绕圈呈矩形环状，螺旋形线圈的线截面呈矩形。
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