磁通門傳感器是由電磁感應(yīng)效應(yīng)衍生出來(lái)的一類主動(dòng)式感應(yīng)變壓器，能夠感應(yīng)到外界微弱的直流或低頻磁場(chǎng)，因其在噪聲、溫度穩(wěn)定性、磁場(chǎng)分辨率和靈敏度方面的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于定位跟蹤、航空航天、地磁探測(cè)和電流檢測(cè)等領(lǐng)域。目前，各類設(shè)備都朝著小型化發(fā)展，對(duì)磁通門質(zhì)量、體積、功耗、集成度有了更高的要求，因此磁通門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(chǔ)。

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近期，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院、西南應(yīng)用磁學(xué)研究所等研究人員針對(duì)MEMS磁通門傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在《磁性材料及器件》期刊。研究人員簡(jiǎn)要分析了磁通門傳感器的基本原理，闡述了微型磁通門傳感器工藝技術(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(jié)了MEMS磁通門結(jié)構(gòu)工藝的發(fā)展歷程以及MEMS正交磁通門發(fā)展?fàn)顩r；介紹了MEMS磁通門傳感器在相應(yīng)場(chǎng)合的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?fàn)顩r，并展望了此領(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)。

磁通門傳感器是一類基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種主動(dòng)感應(yīng)型變壓器式器件。磁通門根據(jù)被測(cè)磁場(chǎng)方向與激勵(lì)磁場(chǎng)方向的位置關(guān)系分為平行磁通門和正交磁通門兩種。

平行磁通門結(jié)構(gòu)

正交磁通門結(jié)構(gòu)

MEMS磁通門傳感器研究

近20年來(lái)，隨著加工工藝的進(jìn)步，微型磁通門愈發(fā)成為了一個(gè)備受關(guān)注的課題，其研究?jī)?nèi)容涵蓋了微型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、磁通門材料、信號(hào)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(xiàn)了線圈的微型化和磁芯的集成。如何進(jìn)一步將磁通門傳感器微型化、提高微型化磁通門的性能，是磁通門研究者們不斷追求的一個(gè)目標(biāo)。

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傳感器。2006年，Choi等人首次將雙軸磁通門傳感器集成到芯片上，擴(kuò)大了MEMS磁通門傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

在結(jié)構(gòu)研究方面，2017年，呂輝等人采用多孔結(jié)構(gòu)對(duì)鐵芯進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了磁通門的功耗。2020年，Szewczyk等人通過(guò)仿真證實(shí)了磁芯長(zhǎng)度的增加顯著降低了退磁因子，提高了磁通門傳感器的靈敏度。

在MEMS磁通門領(lǐng)域中，正交型磁通門的發(fā)展尤其值得一提。正交型磁通門結(jié)構(gòu)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正交磁通門的基礎(chǔ)上對(duì)激勵(lì)電流增設(shè)了直流偏置，研究證明了正交磁通門基本模型（FMOF）的可行性。隨著加工工藝的進(jìn)步，MEMS正交磁通門可望有良好的發(fā)展前景。

MEMS磁通門傳感器應(yīng)用

微型化磁通門傳感器因其小尺寸、低成本、高集成度和高匹配性的等特性，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分突出，如機(jī)器人測(cè)試、電流傳感器、生物磁探測(cè)、太空探測(cè)、小型無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。

MEMS磁通門兼具傳統(tǒng)磁通門魯棒性好、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(cè)小型設(shè)備產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)或被小型設(shè)備搭載探測(cè)外磁場(chǎng)的一個(gè)新方案。2010年，Maren Ramona等人實(shí)現(xiàn)了將跑道型單軸微型磁通門傳感器用來(lái)測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度位置，可滿足并行機(jī)器人高級(jí)實(shí)時(shí)工作空間監(jiān)控的需求。2020年，Sierra Luoma等人將MEMS磁通門磁力計(jì)與無(wú)人駕駛飛機(jī)結(jié)合進(jìn)行地球物理勘探和環(huán)境檢測(cè)，進(jìn)一步提高了所測(cè)地磁場(chǎng)的精度和分辨率，產(chǎn)生了具有強(qiáng)邊緣特征和消磁信號(hào)的高分辨率地圖。

磁通門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(qū)動(dòng)，低頻噪聲低，是探測(cè)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磁通門對(duì)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(cè)，與目前其他磁探測(cè)相比，MEMS磁通門傳感器的功耗更低、體積更小、空間分辨率更高。

2015年3月，美國(guó)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磁強(qiáng)計(jì)和deltasigma磁通門磁強(qiáng)計(jì)，并集成了奧地利IWF格拉茨開(kāi)發(fā)的定制專用集成電路，有效解決了傳統(tǒng)磁通門因體積重量無(wú)法裝載于此類航天器的問(wèn)題，為太空探測(cè)提供了一些新思路。

總而言之，MEMS磁通門是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)，不僅能滿足各種場(chǎng)合對(duì)小尺寸、高精度、低功耗、高魯棒性等的要求，還可以滿足高集成度、高匹配性、低成本的要求，給各領(lǐng)域的磁測(cè)量提供了新的方案。

未來(lái)，MEMS磁通門傳感器需要進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)適配度更好的探頭。目前基于MEMS工藝的二維磁通門傳感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，相信隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，可集成的MEMS三軸磁通門傳感器亦將為時(shí)不遠(yuǎn)。

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