磁強計調(diào)研報告

1、磁強計調(diào)查總結(jié)1、什么是磁強計：磁強計（magnetometer :通常指的是測量給定方向磁感應(yīng)強度的儀表。 按照全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會的公布的概念，磁強計：欠量型磁敏感 器。用丁測定地磁場的大小與方向，即測定航天器所在處地磁場強度欠 量在本體系中的分量。是測量磁感應(yīng)強度的儀器。根據(jù)小磁針在磁場作 用下能產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或振動的原理制成。而從電磁感應(yīng)定律可以推出，對丁 給定的電阻R的閉合回路來說，只要測出流過此回路的電荷q,就可以知道此回路內(nèi)磁通量的變化。這也就是磁強計的設(shè)計原理，用途之一是 用來探測地磁場的變化。2、 磁強計的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及磁強計發(fā)展趨勢13磁場的測量有著悠久的歷史。在我國東

2、漢時期學(xué)者王充的著作 論 衡中就有司南的記載。司南是磁羅盤的雛形，也是最原始的磁場測量儀器。 12世紀(jì)初，我國已把磁羅盤用丁航海。然而在漫長的幾千年內(nèi)，人們只知道 磁力及方向。在西方，磁場的測量最早可以追溯到15世紀(jì)。1600年，英國醫(yī)生Gilbert 在他的著作中首先用應(yīng)用科學(xué)的方法對磁現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的探索，同時發(fā)現(xiàn)了地球本身是一個大磁體。1785年，庫倫提出了用磁針在磁場中的自由震蕩 周期來確定地磁場的方法。1819年丹麥科學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。 1832年高斯提出了以長度、質(zhì)量、時間為為基礎(chǔ)的絕對測量地磁場強度的方 法，由此磁感應(yīng)強度的單位與長度、質(zhì)量和時間的單位建立了一定的關(guān)系

3、 ， 使磁感應(yīng)強度單位成為重要的物理單位。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn) 象，使磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象建立了一定的量的關(guān)系。1873年，英國物理學(xué)家麥克 斯韋在他的經(jīng)典著作論電與磋中創(chuàng)立了嚴(yán)密的電磁場理論，從而為電磁 場的測量奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代初，出現(xiàn)了利用磁性材料自身磁飽和特性的磁通門磁強計。1946年由布格赫(F.BIech利柏塞爾(E.M.PvrceH)同時發(fā)現(xiàn)的核磁共振現(xiàn) 象，使磁場測量的精確度可能達到 10T; 1962年約瑟夫遜(B.D.Josephson) 預(yù)言了超導(dǎo)結(jié)的隧道效應(yīng)，并丁次年得到實驗的證實，從而使磁場測量的下 限達到105T。近年來，由丁有效地利用了自然現(xiàn)

4、象的物理定律和物質(zhì)的物 理效應(yīng)，加之半導(dǎo)體和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，利用各種磁效應(yīng)進行磁場測量 的方法有了很大的進步，各種磁強計應(yīng)運而生例如霍爾磁強計、磁通門磁強 計、磁阻效應(yīng)磁強計、磁敏效應(yīng)磁強計、磁光效應(yīng)磁強計、超導(dǎo)量子干涉磁 強計等測。目前比較成熟的磁場測量方法有：磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、 電磁效應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。依據(jù)這些方法，相 繼實現(xiàn)了不同原理的各種磁強計。到目前為止，磁場測量的范圍已達到 105103 To隨著現(xiàn)代科技的進步，磁強計的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)廣泛 應(yīng)用丁地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)、 考古學(xué)等許多領(lǐng)域。隨著磁場應(yīng)用范圍的不

5、斷拓展，為滿足特定工作環(huán)境內(nèi)磁場的 測量、強磁場及超強磁場的測量、弱磁場及微弱磁場的測量，以及間隙磁場和不均勻磁場的測量需求，必須尋求和應(yīng)用新效應(yīng)、新現(xiàn)象、 新材料和新工藝，進一步提高磁場測量儀器的水平,更新和發(fā)展精密的磁場測量儀器， 如今磁強計正向著高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度、高分辨率、微小型化、數(shù)字化 和智能化的方向發(fā)展。3、磁強計的分類按照磁強計的發(fā)展歷史和物理原理，磁強計可以分為三代：(1) 、第一代磁強計：利用永磁體與磁場之間的相互力矩作用原理 或者利用感應(yīng)線圈和輔助機械裝置制作例如：機械式磁強計，感應(yīng)式航空磁 強計。(2) 、第二代磁強計：根據(jù)核磁共振特征，高磁導(dǎo)率軟磁合金的磁通門 原理，

6、利用復(fù)雜的電子線路制作，如核磁共振磁強計、磁通門磁強計等。(3) 、第三代磁強計：根據(jù)量子效應(yīng)原理制作，如核子旋進磁強計、質(zhì) 子磁強計、光泵磁強計、原子磁強計、超導(dǎo)量子干涉磁強計。磁強計還可以按照其他的分類標(biāo)準(zhǔn)進行分類，比如：按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工 作原理磁強計可以分為機械式磁強計和電子式磁強等；按照磁強計所測得地磁參數(shù)和量值可以分為相對測量磁強計和絕對測量磁強計；按照磁強計的使用領(lǐng)域可以分為地面磁強計、航空磁強計、海洋磁強計以及井中磁強計等。4、目前比較成熟的磁強計的原理18(1) 、磁力法磁強計原理：磁力法磁強計是利用被測磁場中的磁化物體或通電線圈與被 測磁場之間相互作用的機械力(或力矩)來測量

7、磁場的一種經(jīng)典方法。按磁力 法原理制成的磁場測量儀器可分為磁強計式和電動式的兩類。其中，以可動的小磁針(棒)與被測磁場之間的相互作用使磁針偏轉(zhuǎn)而構(gòu)成的磁場測量儀器 按習(xí)慣叫法稱為“磁強計”。這種磁強計可以把磁場的測量直接歸結(jié)為對 磁針在所處水平面內(nèi)運動的振蕩周期和偏轉(zhuǎn)角的測量。利用磁強計能夠測量較弱的均勻、 非均勻以及變化的磁場，其分辨力可達10T以上。而利用 通電線圈與被測磁場之間相互作用使線圈偏轉(zhuǎn)的原理構(gòu)成的電動法磁場測 量儀器。(2) 、感應(yīng)線圈(電子積分器)式磁強計原理：電磁感應(yīng)法是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的磁場測量方法 其應(yīng)用十分廣泛，.隨著電子積分器和電壓-頻率變換器應(yīng)用丁以此法

8、的實現(xiàn) ， 其測量磁場的范圍已擴大為10=3103T,測量準(zhǔn)確度約為土 ( 0.1 3)%。探測線圈是電磁感應(yīng)法磁強計的傳感器，它的靈敏度取決丁鐵心材料的磁導(dǎo)率、 線圈的面積和匝數(shù)。根據(jù)探測線圈相對丁被測磁感應(yīng)強度的變 化關(guān)系，電磁感應(yīng)法可以分為固定線圈法、拋移線圈法、 旋轉(zhuǎn)線圈法及振動線圈法。固定線圈法主要用丁測量交變磁場，也可測量包定磁場。由丁探 測線圈不動，線圈中的感應(yīng)電動勢是由被測磁場的變化引起的。拋移線圈法 主要用丁測量包定磁場的磁感應(yīng)強度。當(dāng)把探測線圈由磁場所在位置迅速移至沒有磁場作用的位置時，線圈中感應(yīng)電動勢的積分值與線圈所在位置的磁 感應(yīng)強度值成正比。旋轉(zhuǎn)線圈法(乂稱測量發(fā)電機

9、法)和振動線圈法是電磁感 應(yīng)法的直接應(yīng)用，它們主要用丁測量包定磁場。(3) 、霍爾效應(yīng)磁強計原理：霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)是指當(dāng)外磁場垂直丁金屆或半導(dǎo)體中流過 的電流時，會在金屆或半導(dǎo)體中垂直丁電流和外磁場方向產(chǎn)生電動勢的現(xiàn) 象。(4) 磁阻效應(yīng)磁強計原理：磁阻效應(yīng)，是指某些金屆或半導(dǎo)體材料在磁場中其電阻隨磁場 增加而升高的現(xiàn)象。 而所謂“磁阻”，就是由外磁場的變化而引起的電阻變 化。磁阻效應(yīng)在橫向磁場和縱向磁場中都能觀察到。利用這一效應(yīng)，可以很方便地通過測量相應(yīng)材料電阻的變化間接實現(xiàn)對磁場的測量。磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣，都是由作用在運動導(dǎo)體中的載流子的洛倫茲力引起的。不同材 料的磁阻是不同的?；?/p>

10、上世紀(jì)七十年代問世的薄膜技術(shù)，磁阻效應(yīng)磁強計有了很大的發(fā)展，隨之出現(xiàn)的薄膜磁阻效應(yīng)磁強計。伴隨著一些新材料的研 制，人們乂相繼發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(Giant Magneto- resistance GMR)效應(yīng)和巨磁阻抗(Giant Magneto- impedanc GMI)效應(yīng)，基丁它們的磁測量技術(shù)也得到了較深入的研究。巨磁阻效應(yīng)是指在一定的磁場下電阻急劇減小的 現(xiàn)象，一般電阻減小的幅度比通常磁性金屆及合金材料磁電阻的數(shù)值高一個 數(shù)量級。以巨磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)制成的超微磁場傳感器。(5) 、磁通門磁強計原理：磁通門磁強計利用材料的磁飽和特性制造的磁強計，基丁磁調(diào)制 原理，即利用在交變磁場的飽和激勵下

11、處在被測磁場中磁芯的磁感應(yīng)強度與被測磁場的磁場強度問呈非線性關(guān)系來測量磁場的方法。這種方法主要用丁測量包定或緩慢變化的磁場；其測量電路稍加改變，也可測量低頻交變磁 場。磁飽和法分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩類。諧波選擇法就是只考慮 探頭感應(yīng)電動勢的偶次諧波（主要是二次諧波），而濾去其它諧波，具體還可 細分為二次諧波選擇法和偶次諧波選擇法。諧波非選擇法是不經(jīng)濾波而直接 測量探頭感應(yīng)電動勢的全部頻譜，它乂可細分為幅度比例輸出法和時間比例 輸出法。其中幅度比例輸出法因所需測量儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、穩(wěn)定性較差，沒有得到推廣。近年來，隨著磁通門傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，為滿足 磁場“點”測量的需要，利用微

12、機械技術(shù)，如各向異性腐蝕、 犧牲層技術(shù) 和LIGA工藝以及MEMS技術(shù)制作微型磁通門傳感器，已經(jīng)成為磁通門傳 感器構(gòu)建和制造發(fā)展的必然趨勢。目前按基片材料劃分的微型磁通門傳感器 主要有三種，分別是利用PCB板、在非半導(dǎo)體（如鈕、玻璃等）襯底上以及 在半導(dǎo)體材料特別是硅襯底上加工制作的磁通門傳感器。（6）、磁共振磁強計基本原理：塞曼（P.Zee-man效應(yīng)原理，即在外磁場作用下原子的能級 將發(fā)生分裂；如果交變磁場作用到原子上，當(dāng)交變磁場的頻率與原子自旋系 統(tǒng)的自然頻率同步時，原子自旋系統(tǒng)便會從交變磁場中吸收能量，這種現(xiàn)象 就被稱為磁共振。由丁頻率測量可以做到非常準(zhǔn)確，從而，利用磁共振法便 可大大

13、提高測量磁場的準(zhǔn)確度。用磁共振原理測量磁場的方法主要有核磁共 振（NMR）、順磁共振（EPR）和光泵磁共振等方法。核磁共振法是利用具有角 動量（自旋）及磁矩不為零的原子核作共振物質(zhì)（樣品）,根據(jù)核激勵方式和樣 品的不同，它乂可分為核吸收法（強迫核進動）、核感應(yīng)法（自由核進動）及章 動法（流動水樣品）。順磁共振法是指利用順磁物質(zhì)中電子或由抗磁物質(zhì)中順 磁中心的電子所引起磁共振的方法。 光泵磁共振法是利用原子的塞曼效應(yīng)原 理絕對測量弱磁場的一種精密方法，它是通過光（紅外線或可見光）照射物質(zhì), 使物質(zhì)的原子產(chǎn)生往復(fù)的能級躍遷，并最終使原子由低能級升到高能級。(7) 、超導(dǎo)量子磁強計(SQUID)原理

14、：約瑟夫遜效應(yīng)，利用弱耦合超導(dǎo)體中超導(dǎo)電流與外部磁場間的函 數(shù)關(guān)系而測量包定或交變磁場的一種磁強計，主要用丁測量包定的弱磁場。 其特點是具有極高的靈敏度和分辨力。超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是超導(dǎo)量子干涉磁強計的主要組成部分，就其功能來說是一種磁通傳感器。SQUID根 據(jù)所使用的超導(dǎo)材料，可分為低溫超導(dǎo)SQUID和高溫超導(dǎo)SQUID; 乂可根 據(jù)超導(dǎo)環(huán)中插入的約瑟夫森結(jié)的個數(shù)，分為直流超導(dǎo)量子干涉器件(DC- SQUID)和交流超導(dǎo)量子干涉器件(RF- SQUID)。直流超導(dǎo)量子干涉器件(DC- SQUID)加有直流偏置，制成雙結(jié)的形式；交流超導(dǎo)量子干涉器件(RF- SQUID) 由射頻信號

15、作偏置，具體采用的是單結(jié)形式。(8) 、磁光效應(yīng)磁強計原理：基丁磁光效應(yīng)當(dāng)偏振光通過磁場作用下的某些各向異性介質(zhì)時，會造成介質(zhì)電磁特性的變化，并使光的偏振面(電場振動面)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種 現(xiàn)象被稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)法即是利用磁場對光和介質(zhì)的相互作用而產(chǎn) 生的磁光效應(yīng)來測量磁場的一種方法。根據(jù)產(chǎn)生磁光效應(yīng)時通過介質(zhì)(樣品)的光是透射的還是反射的，磁光效應(yīng)具體乂有法拉第(Farady膨光效應(yīng)和克 爾(Kerr)磁光效應(yīng)之分。磁光效應(yīng)法可用丁包定磁場、交變磁場和脈沖磁場的測量。近年來，隨著基丁磁致伸縮效應(yīng)的光纖微弱磁場傳感技術(shù)的發(fā)展 ，光纖磁場測量儀器的靈敏度已可做得很高。(9) 震動樣品磁強計(V

16、SM)原理：VSM采用電磁感應(yīng)原理，測量在一組探測線圈中心以固定頻 率和振幅作微振動的樣品的磁矩。對丁足夠小的樣品，它在探測線圈中振動所 廣生的感應(yīng)電壓與樣品磁矩、振幅、振動頻率成正比。在保證振幅、振動頻 率不變的基礎(chǔ)上，用鎖相放大器測量這一電壓，即可計算出待測樣品的磁 矩。震動樣品磁強計實際上是一種感應(yīng)線圈式磁強計。綜上所述，磁場測量的設(shè)備由丁測量原理、測量范圍、 應(yīng)用范圍的不 同而分很多種，將其特性列下表1所示:表I樣腫物玩匣理的磴強汁簡介測量范南最高分驢址而不FT力T賄定度磁磁變以磁針磁矩在謐場中受力矩偏轉(zhuǎn)力擺蕩式測量磁針在磁場中的押蕩冏期供*京IpT毆磴系、無壽IpI地岑場地磁場ID&

17、#39; Cl1(''10'10'hrI0'2地岷場各參數(shù)及變化io4地磁水平分iiin-5出石崔件、古址琳磁咀效應(yīng)酵備翳了矗率變化成浴器電阻與方 史伸 砂10-山T超導(dǎo)體磁場、酸侍廨器成固定線陶采用測量線陀隅合睪鏈&化測場危運動線固采用/轉(zhuǎn)或振功城腐埴應(yīng)式枳分洲耘技圈城舊巾.協(xié)粗辦麗磋誦10 |010 1ICT *10“Rin： whLQJ迥1"H) * Hh比"測交變場、地磁微變10 '測量恒定場網(wǎng)1¥占山臉場、磁詡嘮N次i即波式磁心激地飽和，畏取二次成偶次洱波七L；門峰差撿波式藏心激勵飽I .用崢差搶曲

18、器10' 15I01irr *5弱磁場、地磁、梯度測 向史星、探常邊推振®i法柱總八振吸收改心緣振漏幅流水章:切 流水強隧場予極化自山進動 概化樣品原ram場中自由進動普通光泉 用光泉產(chǎn)牛塞曼膜級粒子教差噴向光泉.參云共跖比"-心10 lO1IQ-' 1CT'10' ：4It)'-10' LUpfl w11 10 11 in -14i(j-ft蒯強磁場模、標(biāo)準(zhǔn)10奇測中強磁場模、標(biāo)準(zhǔn)地磁場、計魅標(biāo)準(zhǔn)i(rs她磁、外空磁場io 1極弱指搦名辦量直流9QU1D典 SXJID取結(jié)直旋偏置，破詡量子化 錐折射扯面罟.睇通M f #10

19、 量子磁通噸IO"1可磁江拉第效.應(yīng)透此介成偏振而旋轉(zhuǎn)，有方向性10 '10'10- 40'3光克爾效應(yīng)克爾旋轉(zhuǎn)角正比入射而磁化分魚itrJo"I0'3用干沛f堂匍建場對W. #5 1改蜜in- io"4l"If"2生物醫(yī)學(xué)、生弱磁場、 加睡波動、il量 測強隧場源光器fl 熱禳、尚能.圖導(dǎo) 出物醫(yī)學(xué)、弱爆6、幾種MEMS磁強計的原理工藝及相關(guān)單位921與傳統(tǒng)的磁強計相比，微磁強計具有重量輕、研制周期短、造價低等特 點。目前的MEMS磁強計主要有霍爾效應(yīng)式磁強計、磁阻式磁強計、磁通 門式磁強計、隧道效應(yīng)式磁強計、

20、諧振式磁強計等。(1) 、MEMS磁通門式磁強計(MFGM)3研究單位：(1 .活華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系；2.中國科學(xué)與技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室)作者：楊建中1,尤政1,劉剛2,康春磊2,田揚超2原理：MFGI原理上而言，是遵循法拉第電磁感應(yīng)定律和磁通門效應(yīng) 的。MFG附基本結(jié)構(gòu)包括三個部分：磁芯、激勵線圈和檢測線圈，見圖 1 磁芯采用高磁導(dǎo)率、低矯頑力的軟磁材料做成。激勵和檢測線圈都以螺線管的形式螺繞在磁芯上。這種單磁芯的簡單結(jié)構(gòu)形式，測量的是環(huán)境磁場欠量 沿傳感器敏感軸方向的磁場分量。inn激勵線圈檢測線圈Fig* I Fluxgate effect of the elementary

21、 MFGM 圖1 MFGM的基本結(jié)構(gòu)示意圖Memsmag的設(shè)計：下圖2是依據(jù)磁通門原理設(shè)計的基丁MEMS技術(shù)的磁通門磁敏感器(MEMSMag)的結(jié)構(gòu)示意圖。這種微型磁通門磁敏感器結(jié)構(gòu)具有對稱結(jié)構(gòu)、 閉合磁路、差動形式、柔性連接等顯著特點CSketch map of MEMSMagMEMSM曲的結(jié)構(gòu)示意圖圖2 MEMSMag的結(jié)構(gòu)示意圖該微型磁通門磁敏感器采用氧化后的硅做基底。 磁芯呈方形形狀的環(huán)狀 結(jié)構(gòu)。磁芯每邊長5mm，橫截面長400um,厚20um。在拐角處為了降低磁 感應(yīng)強度變化的劇烈程度，進行倒圓角處理(內(nèi)半徑20um,外半徑420um)第緣體磁芯線圈400Cross section

22、of MEMSMag one sideMEMSMag 邊的橫截面結(jié)構(gòu)圖（jm）圖3 MEMSMag的橫截面結(jié)構(gòu)圖磁芯的材料選用電鍍工藝加工形成的銳鐵合金軟磁薄膜，其磁性能為各向同性，確保X和Y方向的磁芯結(jié)構(gòu)、磁性能和電氣性能等參數(shù)的對稱。采用電鍍工藝，與濺射鍍、蒸發(fā)鍍等工藝比較，能夠容易實現(xiàn)10 一 20um等較大厚度的軟磁性磁芯薄膜的加工，獲得更大的磁 芯橫截面面積。由丁磁敏感器的靈敏度和磁芯的橫截面積成正比，這樣采用 電鍍工藝，增大磁芯的橫截面積，也就提高了靈敏度。另一方面，磁通門式 磁敏感器中，要求磁芯具有較大的有效磁導(dǎo)率、很小的矯頑力和較小的飽和 磁場強度等磁性能。而電鍍工藝形成的銳鐵

23、合金鍍膜，具有良好的軟磁性磁 學(xué)性能，完全符合器件性能的要求。這種環(huán)形的結(jié)構(gòu)形狀對磁通來說具有閉合磁路。和開路磁芯相比，具有 閉合磁路的磁芯，對丁磁通來說，由丁軟磁材料的磁導(dǎo)率遠遠大丁周圍空間 空氣的，所以磁力線幾乎都在磁芯內(nèi)部聚合，漏磁通極低，退磁場系數(shù)幾乎 為零。因此閉合磁路的方形環(huán)狀磁芯幾乎可以忽略退磁場的影響。磁芯的有 效磁導(dǎo)率能夠得到顯著的提高， 磁芯內(nèi)的磁化強度和磁感應(yīng)強度更容易達到 飽和，形成更為陡峭的動態(tài)磁滯回線，只需要較小的凋制磁場就能實現(xiàn)對磁 芯的過飽和磁化和勵磁功耗的降低。磁芯四周共12個匝數(shù)和旋向都相同的線圈，每邊3個，每個38匝。以螺繞方式纏繞在被絕緣過的磁芯上。在利

24、 用微細加工工藝時，每個線圈都是在相同的工藝步驟中形成，所以電氣參數(shù) 都是相同的。每一個線圈都可以作為激磁、檢測或者補償線圈。線圈的旋向 都相同，對于結(jié)構(gòu)中心和兩條正交軸線來說具有對稱性。 線圈的材料選用銅。 底層的直導(dǎo)線每根長460um,寬15um,厚（高）10um；導(dǎo)線之間的問距30um, 形成的節(jié)距（相鄰兩匝導(dǎo)線之問的距離）為45um。線圈具有立體的螺繞形式。 平面線圈只能將一部分磁通包圍在線圈內(nèi)部。如果采用平面線圈形式，為了 達到過飽和勵磁，就需要更大的勵磁電流或者是更多匝數(shù)的勵磁線圈，這不 利于功耗的降低。另外，對于檢測線圈來說，未能將磁通全部包圍在線圈內(nèi)， 為了獲得感應(yīng)電動勢，就需

25、要更多匝數(shù)的檢測線圈，不利于尺寸的減小。還 有一個原因，平面線圈多和開路的磁芯聯(lián)合使用。對于開路磁芯來說，意味 著較大的退磁場，和較小的表觀磁導(dǎo)率，一方面降低了靈敏度，另一方面不 利于磁芯的快速飽和。在磁芯和線圈之間由絕緣體材料填充，為一個內(nèi)含空腔的封閉結(jié)構(gòu)。絕緣材料選用光刻膠經(jīng)處理后形成，起到隔離支 撐和電氣絕緣的雙層作用。在磁芯和底層導(dǎo)線之間的絕緣層厚度為10um,磁芯和頂層導(dǎo)線之間的絕緣層厚度也為10um。在磁芯側(cè)面，磁芯和立柱導(dǎo)線之間的絕緣層寬度為20um。設(shè)計中將磁芯和檢測線圈做成對稱的差分形 式，從結(jié)構(gòu)上消除作為噪聲的奇次諧波分量，加倍增強偶次諧波分量，提高 輸出信號中的信噪比。并

26、且考慮到退磁場的影響，將磁芯的磁通路徑設(shè)計成 環(huán)狀的閉合形式，以此來降低退磁系數(shù)，提高視在磁導(dǎo)率，使磁芯更容易進 入過飽和狀態(tài)。構(gòu)成差動結(jié)構(gòu)的方式有兩種，如圖4和5所示。一種方式是兩個檢測線圈分別螺繞在兩個磁通反向的磁芯上，這時檢測線圈內(nèi)部的感應(yīng)電動勢正好是大小相等、極性相反，然后再將線圈同向申聯(lián)。另外一種方式 是單個檢測線圈纏繞在兩個內(nèi)部磁通反向的磁芯上。圖5差動形式的構(gòu)成方式（2）在MEMSMag中采用第一種差動結(jié)構(gòu)形式。這樣做的用意主要是考慮到線圈的對稱性。如圖6所示，順時針的把十二個線圈分別標(biāo)記為 X1、X2、X3、Y1、y2、Y3、X；、X2、X3、Y'1、y2、丫3。這樣

27、X1和 X；就構(gòu)成一 組線圈，其余同理。通過這種形式，十二個線圈組成六組線圈對，具有相同 的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣參數(shù)，至丁利用哪一組線圈作為勵磁、檢測和補償線圈， 可以根據(jù)應(yīng)用需要在使用時決定，而不是在設(shè)計和加工時就確定，擴大了使 用的靈活性。磁芯的形狀是方形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，具有對稱性，選用各向同性的 軟磁材料，這樣四條邊的電磁參數(shù)都相同。線圈的旋向相同，匝數(shù)相同，也 具有對稱性。x方向的兩條邊構(gòu)成一組雙磁芯的磁探頭，用丁 X方向磁場分 量的測量；同樣，Y方向的兩條邊構(gòu)成另一組雙磁芯的磁探頭，用丁 Y方向 磁場分量的測量。由丁磁芯和線圈是對稱的，乂具有差動結(jié)構(gòu)，使得這種結(jié) 構(gòu)很容易形成一個兩軸的磁敏感器

28、，也可以形成一個一軸的磁敏感器，這主 要是由丁線圈具有柔性的連接性能。如果把線圈對 X1和X；正向申聯(lián)作為激 磁線圈，X3和X3正向申聯(lián)作為補償線圈，X2和X2反向申聯(lián)作為檢測線圈， 就可形成一個檢測丫軸方向的一軸磁敏感器。對另外三組線圈也進行同樣的 連接，也形成一個檢測x軸方向的一軸磁敏感器。這樣整個就形成了一個兩 軸的磁敏感器，可用丁測量磁場強度在 x和丫軸兩個正交軸方向上的分量。圖6 MEMSMag的連結(jié)方式示意圖除上述連接方式之外，這種結(jié)構(gòu)形式通過不同的連接方式還可以形成一 軸磁通門磁敏感器結(jié)構(gòu)，如表2所示。表2 MEMSMag中線圈的不同連結(jié)方式序號磁圈勵線檢測線圈補償線圈匝數(shù)比磁敏

29、感器特征 描述1xi+xr +Y! +YVX2-X2 Y2-"X3+X3JY3+Y3'2：1：1兩軸，2XI+XT+Y1+YC(X2 + X3)- (X2, + X3,)r (Y2 + Y3)- (Y2, + Y3,)1:1兩軸，3XI +X2 +X3+XP + xr+xr(Y1+Y2+Y3)- (Yr + Y2r + Y3F)-1* 無1暖4X1+X2 + X3 + XV + X2/ + X3*(Y1 +Y2)- (Yl'+YT)32!-* 有彳倦（注:加號“ + ”表示同向串聯(lián)，減號“-”表示反 向串聯(lián)口 2匝數(shù)比是指勵磁線圈：檢測線圈：補償線 圈（如果存在補償線

30、圈的話）Q（2）、MEMS諧振式磁強計9'11'基本原理：諧振式磁強計基本工作原理是利用通電導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生 的洛侖茲力來檢測磁場強度的大小。在懸臂梁中通過一定頻率的交變電流， 其頻率等丁懸臂梁的諧振頻率，這樣，當(dāng)外界有磁場時，懸:臂梁中的電流將受到洛侖茲力的作用使懸臂梁產(chǎn)生振動，其振幅和外界磁場強度的大小成正比關(guān)系，通過檢測振幅的大小，即可得到磁場強度的信息。由丁其工作在 諧振狀態(tài)下，因此其振幅可以被放大 Q倍，從而使檢測精度和靈敏度得到 大幅提高。諧振式磁強計按照其結(jié)構(gòu)基本可以分為扭擺式和水平式兩種扭擺式諧振式MEMS磁強計：單位：活華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系作者：任大海，閻

31、梅芝，尤政結(jié)構(gòu)：圖7所示是結(jié)合國內(nèi)MEMS加工條件設(shè)計的基于扭擺結(jié)構(gòu)的諧 振式磁強計，它采用電容檢測方式,扭擺式結(jié)構(gòu)靠差動力矩驅(qū)動扭梁扭轉(zhuǎn)，靈 敏度局.另外，由于諧振式磁強計要求具有局 Q值，若不考慮諧振器在空氣 中的阻尼，則Q值主要取決于通過支撐結(jié)構(gòu)將諧振器能量傳遞到基底所損失的能量及由于機械結(jié)構(gòu)阻尼所損失的能量.扭擺式結(jié)構(gòu)能夠有效地減小上述 2個方面的能量損失.同時，在實際應(yīng)用中， 由于機械結(jié)構(gòu)總是有一定的質(zhì)量，所以必須考慮加速度對檢測輸出信號的影 響.而扭擺由于其具有對稱式結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制重力及加速度產(chǎn)生的慣性 力與磁場通過線圈產(chǎn)生的洛倫茲力之間的耦合 ，所以采用扭擺式諧振磁強計 方案

32、.兩端固支梁在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力較大，將嚴(yán)重影響器件的成品率，且 當(dāng)扭轉(zhuǎn)角較大時，彈性系數(shù)隨扭轉(zhuǎn)角做非線性變化，所以設(shè)計了 “ L”形梁， 能夠有效釋放應(yīng)力，且當(dāng)扭擺尺寸較大時，“L”形梁有利于系統(tǒng)穩(wěn)固支撐.o(»)基本結(jié)構(gòu)i iCb)橫截面圖7諧振式磁強計的測量原理水平式磁強計的結(jié)構(gòu)運動方向與結(jié)構(gòu)平面平行。如1999年Robert Bosch公司的Emmerich H等人研制的水平諧振式磁強計，在諧振梁中通以交變電流并通過電容方式進行檢測，如圖 8所示圖8 Robert Bosch公司研制的水平諧振式磁強計活華大學(xué)的湯學(xué)華在2005年研制了采用該原理制作的磁強計， 并使用隧穿電流

33、的方式進行檢測，其原理如圖 9所示線圈圖9活華大學(xué)研制的水平諧振式磁強計扭擺式磁強計可以制作多匝線圈，具有靈敏度高等特點，但是在采用電 容檢測形式時，電容極板位移和電容值變化之間是非線性關(guān)系，會對其性能 產(chǎn)生較大的影響。而水平式諧振磁強計的位移是在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)運動，當(dāng)采用電容方式檢測時，其電容變化的線性度較好，并且制作相對簡單， 具有明 顯的優(yōu)勢。（3）、隧道效應(yīng)式MEMS磁強計隧穿磁強計是一種利用量子力學(xué)中隧道效應(yīng)原理測量磁場強度的新型 磁強計。水平式隧穿磁強計：單位：（1.活華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系；2 .河北半導(dǎo)體研究所微米/納米中心）作者：湯學(xué)華1,何洪濤2,羅蓉2,李倩2,郭榮輝2,吝

34、海峰2特點：是磁場產(chǎn)生的洛倫茲力方向和磁強計敏感元件（質(zhì)量彈簧系統(tǒng)）的 結(jié)構(gòu)平面在同一水平面內(nèi)。原理：圖10為水平式隧穿磁強計表頭的結(jié)構(gòu)原理圖。這種磁強計的工 作原理是：首先由梳齒電極將質(zhì)量彈簧系統(tǒng)往左邊拉一個期望位移，約為 4um（檢測電極與硅尖之間的原始距離為 4um）,使得檢測電極與硅尖之間的 距離為1 nm（即隧道間隙為1 nm）,此時在驅(qū)動電壓的作用下，產(chǎn)生約1.4 nA 的隧道電流，然后再給線圈通上交流電，通電線圈在被測磁場（磁場方向垂直 于紙面）的作用下將產(chǎn)生洛倫茲力，該力使質(zhì)量彈簧系統(tǒng)作諧振運動，導(dǎo)致隧 道間隙發(fā)生變化，使得隧道電流的大小也跟著變化，通過測量隧道電流的變 化量可

35、以確定磁場強度的大小。圖10水平隧穿磁強計包頭的結(jié)構(gòu)原理圖加工工藝：表頭采用 MEMS體硅溶片工藝加工，具體工藝及流程見參考文獻【12】。扭擺型諧振式隧穿磁強計：單位：活華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系作者：閻梅芝、董哲、任大海、尤政設(shè)計思想： 采用微鏡結(jié)構(gòu)中常用的扭擺扭梁結(jié)構(gòu)，并在扭擺平面上制 作線圈，使磁強計的制作工藝易丁實現(xiàn)，且能通過設(shè)定較高的線圈電流工作 點頻率來提高扭擺的諧振頻率，有效降低 1/ f噪聲。原理：由隧道效應(yīng)的原理磁強計結(jié)構(gòu)設(shè)計：基丁以上基本原理，設(shè)計諧振扭擺型隧穿式磁強計的結(jié)構(gòu)如圖13所示，將扭擺和硅尖部分結(jié)構(gòu)均鍵合在玻璃基底上。在扭 擺平面上制作線圈，在待測的空間磁場中，當(dāng)給

36、線圈通電流后將產(chǎn)生安培力, 安培力作用丁線圈所依附的扭擺就會產(chǎn)生力矩作用丁扭梁，使扭擺偏轉(zhuǎn)，改 變扭擺與隧尖之間的間隙，從而由隧道電流的變 化來反映磁場的變化。圖1 扭擺部分結(jié)構(gòu)圖2 硅會和偏宣電極結(jié)構(gòu)圖3 磁強計總體結(jié)構(gòu)閣扭擺型隧穿式磁強計除了硅尖這一最為核心的部件外， 扭擺和其上的線 圈也是非常重要的。扭梁所受的扭矩大小不僅取決丁線圈 中所通的電流， 還取決丁線圈的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中采用平面線圈 ，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11線圈、扭擺及驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)垂直式隧穿磁強計:這種磁強計中，磁場產(chǎn)生的洛倫茲力方向和磁強計的敏感元件（薄膜）的結(jié)構(gòu)平面垂直。單位：1、活華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系2、河北半導(dǎo)體

37、研究所 微米/納米中心作者：湯學(xué)華，尤政，楊擁軍結(jié)構(gòu)：，在采用兩層硅片結(jié)構(gòu)，在下層硅片上制作一個固定 的電子隧道硅尖和一個偏置電極,上層硅片上制作 出可振動的照化硅薄膜，在薄膜的正面制作線 反面制作偏置電極,上、下硅片分別加工后再通過硅 -硅健合工藝裝配或無隙粘接技術(shù)裝配。基本結(jié)構(gòu)如 圖1所示.該方案具有兩個優(yōu)點土C1）薄膜的上表面是一個平面,可用直接光刻的方法在薄膜上加工線圈，這樣在薄膜上加工線圈 較易<2）硅尖和空腔分另U在不同的硅片上加工河加工 較易，易確定硅尖和薄膜上隧道電極間的原始間距，1垂直式隆穿磁強計基本結(jié)構(gòu)其他的隧道效應(yīng)磁強計設(shè)計方案：方案a14、單位：1活華大學(xué)精密儀器

38、系；2北京大學(xué)微電子學(xué)研究所作者：朱俊華1,周兆英1,葉雄英1,張大成2,郝一龍2,李婷2基本原理：經(jīng)典物理學(xué)認為，動能低丁勢壘的電子是不能穿透勢壘的。 但 是根據(jù)量子力學(xué)的理論，上述電子可以穿透勢壘，并已被實驗所證實。當(dāng)兩 個電極充分接近（約為Inm），電子云相互重疊時，在電極問加上電壓 （約 100mV）,電子便會通過電子云的狹窄通道流動，形成隧道電流。隧道電流和電極問距離的關(guān)系如下：:_- u/ Tun neti ng =如e其中. Cl = 10.25eV 1/2nm- 1中 T十尖和電極表面間的勢壘 s T十尖與電極之間的距離由上式可知，隧道電流和s成指數(shù)關(guān)系微小的位移就會使隧道電流

39、產(chǎn)生 很大的變化。而且，隧道電流僅發(fā)生在兩個電極上距離最近的兩個原子之間 因此從本質(zhì)上來說其靈敏度是與尺寸無關(guān)的。圖12(f)是微型隧道效應(yīng)磁強計的結(jié)構(gòu)圖，它由下層的玻璃襯底和上層的硅片組成。在驅(qū)動電極和偏置電 極之間加上電壓，靜電力使硅橋變形，當(dāng)針尖和電極之間的問距約為1nm時，就會產(chǎn)生隧道電流。在平面線圈內(nèi)通以交變電流，薄膜在Lorentz力的作用下，上下振動，隧道電流隨之改變，從而測出磁感應(yīng)強度的大小。工藝流程：硅片工藝，首先用熱氧法在雙面拋光的硅片上長出 500nm的二氧化硅并 用甩膠光刻，圖形化后用RIE刻蝕二氧化硅，為防止RIE損壞下面的硅，當(dāng) 二氧化硅剩余50nm時改用BHF溶液

40、腐蝕，直至暴露出下面的硅。BHF溶 液腐蝕二氧化硅速率為 2.3nm/ s，較RIE容易控制。然后用KOH進行各向 異性腐蝕，形成1 1 m的淺坑，這一步確定了硅尖和偏置電極問的間距 (圖 12a)。去掉硅表面的二氧化硅，進行無掩模的濃硼摻雜，形成自停止層，摻 雜圖12磁強計的工藝流程圖濃度為102°cm厚度9 m。接下來在硅表面熱氧二氧化硅 ，進行光 刻，形成10 H m X 10 m的硅尖掩模（圖12b）。對硅尖的刻蝕工藝做了濕法刻蝕和干法刻蝕 （RIE）的實驗比較。因為硅片 摻雜濃硼之后，選用配比為3： 25： 10的HF + HNO3 +CH3COOH的各向 同性腐蝕液。但在

41、工藝實驗中發(fā)現(xiàn)，硼的摻雜濃度對該腐蝕液的腐蝕速率影 響較大，重復(fù)性差。而且，橫向腐蝕速率大大超過了縱向腐蝕速率，腐蝕速率 比23： 1。因此，這種刻蝕方法無法獲得精確活晰的結(jié)構(gòu)輪廓。分析認為 這是因為二氧化硅掩模和硅的界面處對該腐蝕液的親和性較大造成的。圖13是RIE刻蝕實驗的SEM照片，從照片上可以看出，RIE刻蝕的結(jié)構(gòu)側(cè) 面比較光滑。而且，通過改變腐蝕氣體（SF4/O2）a量和反應(yīng)室壓力，使縱橫 刻蝕比能在0.81.2之間調(diào)整。因此，RIE是制作硅尖的理想工藝。圖 14 是硅尖濺射的SEM照片。圖13 RIE刻蝕SEM 照片圖14硅尖SEM照片刻蝕出硅尖后，將二氧化硅去掉，再熱氧一層300

42、nm的二氧化硅作為 絕緣層。然后通過剝離工藝在坑底制作硅尖電極和驅(qū)動電極，電極為Ti/ Pt /Au三層結(jié)構(gòu)，厚度300nm（參見圖12d）。兩個電極都通過引線引至硅片的 上表面，以便通過鍵合和玻璃上的電極相連。玻璃工藝：Pyrex7740玻璃光刻圖形化后用 RIE刻蝕出350nm的淺槽， 使用剝離工藝在槽內(nèi)制作出電極（圖12c），包括傳感器的偏置電極和與硅片 上電極相連的引線。電極材料為Ti/Pt / Au，厚度為200nm。電極和玻璃表面 有150nm的高度差，這樣，在鍵合中既能使硅片上的電極與玻璃上的電極相 接觸，乂不至因電極隆起過高而使硅片和玻璃無法緊密接觸，而影響鍵合的強度。組合片工

43、藝：靜電鍵合乂稱場助鍵合或陽極鍵合，可以將玻璃與金屆、合 金或半導(dǎo)體鍵合在一起而不需任何粘接劑，鍵合界面有良好的氣密性和長期 穩(wěn)定性，應(yīng)用十分廣泛。將硅片和玻璃倒扣在一起，硅片接正極，玻璃接負極，在400度的溫度和1200V的電壓下，硅/玻璃界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成 牢固的化學(xué)鍵而使硅和玻璃緊密結(jié)合在一起（圖12d）。薄片溶解法（Dissolved Wafer Process是一種利用自停止技術(shù) ，將硅片的大部分溶解掉， 獲得各種厚度薄膜的體硅工藝。根據(jù)摻雜層的厚度不同，可以得到從1微米 到10多微米厚的薄膜。一般先在硅上刻蝕結(jié)構(gòu)圖形，然后與玻璃鍵合在一起，最后用濕法溶解體硅，這樣分離出的結(jié)構(gòu)或

44、薄膜就粘附在玻璃上。KOH 對硅的腐蝕速率在摻雜濃度超過閾值濃度（約為5 x 1019cm'）時，腐蝕速率 很小，輕摻雜硅和重摻雜硅的腐蝕速率之比高達數(shù)白倍，可以認為KOH對重摻雜硅不腐蝕。實驗中將鍵合好的硅片和玻璃放入KOH溶液并不停地攪拌，單晶硅以1.1 m/min的速率被腐蝕，大約7.5小時后，腐蝕至自停止 層。腐蝕停止后，硅表面平整光滑，525 m厚的玻璃僅腐蝕了 5m。在硅的表面涂上1 m的聚酰業(yè)胺，對聚酰業(yè)胺進行圖形化，暴露出硅橋兩 側(cè)的硅，為后續(xù)工藝作準(zhǔn)備。將聚酰業(yè)胺業(yè)胺化，形成絕緣層，然后在它的上 面蒸上1 m的鋁，制作出平面線圈（圖12e）。最后，在硅片上甩膠，用光刻

45、聚酰業(yè)胺所用的掩模板進行圖形化后，用ICP將單晶硅薄膜刻穿，釋放薄膜的兩個對邊，從而形成硅橋（圖12f）.方案B18：單位：活華大學(xué)精密儀器系作者:朱俊華、丁衡高、葉雄英原理：如方案A:根據(jù)隧道效應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計：圖15所示為微型隧道效應(yīng)磁強計的結(jié)構(gòu)圖，它由上層的玻 璃襯底和下層的硅片組成。在驅(qū)動電極和偏置電極之間加上一定電壓，靜電 力使微梁變形，當(dāng)針尖和電極之間的問距約為1nm時就會產(chǎn)生隧道電流，在 梁背面的平面線圈內(nèi)通上交變電流，梁在 Lorentz力的作用下上下振動，測 量隧道電流的大小，就能得到粱的變形量和磁感應(yīng)強度的大小。薄膜的上表 面和下表面都有一層0. 2um厚的si02作絕緣層。ft

46、庶建片1 _兩"文秉圖15微型磁強計結(jié)構(gòu)圖7、基丁 MEMS技術(shù)磁強計的有關(guān)專利（1）專利名稱：MEMS<¥諧振式磁強計申請?zhí)枺?00910077171.3申請（專利權(quán)）人：活華大學(xué)發(fā)明（設(shè)計）人：尤政；胡穆之；楊建中（2）專利名稱：memS<¥諧振式磁強計申請?zhí)枺?00910131270.5申請（專利權(quán)）人：活華大學(xué)發(fā)明（設(shè)計）人：尤政；胡穆之；楊建中（3）、專利名稱：基丁微機電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件申請?zhí)枺?00510026606.3申請（專利權(quán)）人：上海交通大學(xué)發(fā) 明（設(shè)計）人：周 勇;丁文;曹瑩;陳吉安;周志敏（4）、專利名稱：基于微機電系

47、統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件的制作方法申請?zhí)枺?00510026607.8申請（專利權(quán)）人：上海交通大學(xué)發(fā) 明（設(shè)計）人：周 勇;丁文;曹 瑩;陳吉安;周志敏（5）、專利名稱：一種MEMS微型高靈敏度磁場傳感器及制作方法申請?zhí)枺?00610030766.X申請（專利權(quán)）人：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所發(fā) 明（設(shè)計）人：吳業(yè)明；劉玉菲;李四華;萬助軍（6）、專利名稱：水平式隧穿磁強計申請?zhí)枺?00410074075.0申請（專利權(quán)）人：活華大學(xué)；中國電子科技集團公司第十三研究所發(fā) 明（設(shè)計）人：尤政；楊擁軍;湯學(xué)華;何洪濤;王曉路;吝海 峰（7）專利名稱：一種微機電系統(tǒng)磁場傳感器及測量方法申請?zhí)枺?00810022319.9申請（專利權(quán)）人：東南大學(xué) 發(fā) 明（設(shè)計）人：陳 潔;黃慶安;秦 明;趙桂林（8）專利名稱：以MEMS技術(shù)制造的半導(dǎo)