基于多孔軟磁薄膜的微型磁通門(mén)低功耗技術(shù)研究.pdf

1、磁通門(mén)傳感器作為一種綜合性能優(yōu)良的磁測(cè)量器件，近年來(lái)在地磁研究、石油測(cè)井、空間磁場(chǎng)探測(cè)、航空航天、微型衛(wèi)星、生物醫(yī)學(xué)、電流測(cè)量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而受自身結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，磁通門(mén)的體積和功耗偏大。采用微加工工藝制備的微型磁通門(mén)雖然成功縮減了器件的尺寸，但功耗未能隨之顯著降低，反而由于工作產(chǎn)生的熱量集中于小區(qū)域內(nèi)而導(dǎo)致散熱性差，對(duì)傳感器的熱穩(wěn)定性造成威脅，使微型磁通門(mén)對(duì)降低功耗的需求更加迫切。另外，因微加工工藝的引入，磁通門(mén)

2、的性能明顯下降，靈敏度偏低而噪聲過(guò)大。這些都是磁通門(mén)微型化過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文在分析現(xiàn)有微型磁通門(mén)的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鐵芯性能提升兩方面著手，提出了基于微米級(jí)多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門(mén)低功耗方法和納米級(jí)多孔軟磁薄膜的制備方法，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果如下：
　?。?）提出了一種基于微米級(jí)多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門(mén)低功耗方法?，F(xiàn)有的縮比鐵芯結(jié)構(gòu)微型磁通門(mén)能夠通過(guò)降低激勵(lì)電流來(lái)減小功

3、耗，但同時(shí)會(huì)增大薄膜鐵芯的漏磁，使降低功耗的效果不夠明顯。本文提出了一種基于微米級(jí)多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門(mén)低功耗方法，采用多孔鐵芯結(jié)構(gòu)能夠降低漏磁并且增加激勵(lì)線圈內(nèi)鐵芯的有效橫截面積。由于孔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)影響多孔鐵芯的磁性能，本文通過(guò)研究孔的形狀、大小和分布等拓?fù)湟蛩貙?duì)多孔鐵芯性能的影響以及對(duì)降低磁通門(mén)功耗的貢獻(xiàn)，進(jìn)行了多孔鐵芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在鐵芯制備過(guò)程中控制孔的拓?fù)鋮?shù)，獲得符合要求的多孔鐵芯微型磁通門(mén)。對(duì)制作的器件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果

4、顯示，多孔鐵芯采用六角形孔、5:1縮小比例和陣列式分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合微型磁通門(mén)的低功耗要求，同時(shí)還兼顧了靈敏度和 MEMS工藝的良品率。多孔鐵芯微型磁通門(mén)的整體性能優(yōu)于同樣工藝條件下制備的縮比鐵芯微型磁通門(mén)，多孔鐵芯微型磁通門(mén)相比縮比鐵芯微型磁通門(mén)，靈敏度提高了13％，功耗降低了40.4%。
　　（2）提出了一種基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的微米級(jí)多孔鐵芯微型磁通門(mén)最佳激勵(lì)電流估算方法。最佳激勵(lì)電流是決定磁通門(mén)功耗的重要指標(biāo)，在微型磁通門(mén)的低功

5、耗優(yōu)化中，可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)降低最佳激勵(lì)電流，減小功耗。分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微米級(jí)多孔鐵芯微型磁通門(mén)，如果全部采用有限元方法，需要針對(duì)不同的參數(shù)分別進(jìn)行建模仿真，占用資源多，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。本文對(duì)多孔鐵芯微型磁通門(mén)進(jìn)行一定的有限元分析，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算，提出了基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳激勵(lì)電流估算方法。該方法可用于各種多孔鐵芯微型磁通門(mén)的最佳激勵(lì)電流快速估算，能夠節(jié)約大量的時(shí)間和資源，縮短優(yōu)化過(guò)程。
　?。?）提出了一種適用于制作納米級(jí)

6、多孔軟磁薄膜的硅基氧化鋁模板的制備方法。現(xiàn)有的氧化鋁模板受機(jī)械強(qiáng)度和平整度的限制，無(wú)法用于納米級(jí)多孔軟磁薄膜的制作。本文提出了一種基于二次陽(yáng)極化的硅基氧化鋁模板制備方法，對(duì)得到的氧化鋁薄膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征與厚度測(cè)量，結(jié)果表明，薄膜具有納米多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑大小和孔隙率滿足模板的要求，而且薄膜的厚度可控。在氧化鋁模板的制備過(guò)程中，孔徑大小和孔隙率可以通過(guò)改變制備條件加以調(diào)整，以適用于多種微結(jié)構(gòu)加工。完成的硅基氧化鋁模板可以用來(lái)制作納米級(jí)多孔

7、軟磁薄膜，模板的制備過(guò)程與現(xiàn)有微加工工藝兼容。
　?。?）提出了一種適合用作低功耗微型磁通門(mén)鐵芯的納米級(jí)多孔軟磁薄膜的制備方法。受微加工工藝的影響，微型磁通門(mén)軟磁薄膜鐵芯的性能亟待提高，本文從改善鐵芯微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，在兼容微加工工藝的前提下，提出了一種采用硅基多孔氧化鋁模板，通過(guò)二步復(fù)制得到納米級(jí)多孔軟磁薄膜鐵芯的制備方法。薄膜中的納米孔道結(jié)構(gòu)使晶粒分布均勻，磁晶各向異性降低，材料異常損失減少，同時(shí)納米孔的存在能充分釋放薄膜中的附加

8、應(yīng)力。對(duì)制備的軟磁薄膜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，軟磁薄膜的矯頑力和飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度得到有效降低，磁化性能明顯改善。以納米級(jí)多孔軟磁薄膜作為磁通門(mén)鐵芯，能夠減小最佳激勵(lì)電流，降低功耗，滿足微型磁通門(mén)提高性能的要求。
　　本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金課題“微型磁通門(mén)的低功耗技術(shù)研究（No.60874101）”和教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金課題“基于多孔軟磁薄膜的微型磁通門(mén)傳感器低功耗技術(shù)研究（No.20126102110031）”進(jìn)行研究，