EMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片有什么優(yōu)點(diǎn)

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，中科院上海微系統(tǒng)所副研究員顧杰斌與國(guó)內(nèi)某上市公司合作，歷時(shí)近三年時(shí)間，研發(fā)出了一款基于晶圓級(jí)MEMS-Casting技術(shù)的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片。有別于傳統(tǒng)的漆包線(xiàn)繞制的方法，磁通門(mén)的三維螺線(xiàn)線(xiàn)圈是通過(guò)液態(tài)合金在預(yù)制的硅微模具上填充成形。

磁傳感器是非常重要的磁場(chǎng)探測(cè)傳感元件。磁傳感器無(wú)所不在、尺寸小巧且價(jià)格合理，有些可以輕松地和其它電路一同集成到芯片上，因此，磁傳感器被人們廣泛用于各種應(yīng)用。磁傳感技術(shù)在機(jī)器人和工廠(chǎng)自動(dòng)化中的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。由于磁傳感器在零件位置和速度檢測(cè)方面具有更高的可靠性和精確度，因此，它對(duì)運(yùn)動(dòng)控制而言至關(guān)重要。這一優(yōu)勢(shì)也讓機(jī)器手臂和其它部件能夠平穩(wěn)而準(zhǔn)確地移動(dòng)，從而確保高質(zhì)量和高安全性的制造過(guò)程。除汽車(chē)外，磁傳感器還大量用于如洗衣機(jī)和微波爐等家用電器中，以檢測(cè)電器的門(mén)是處于關(guān)閉還是打開(kāi)狀態(tài)。磁傳感器還被廣泛用于醫(yī)療器械中，例如，當(dāng)應(yīng)用于助聽(tīng)器時(shí)，它能夠檢測(cè)佩戴者是否攜帶了手機(jī)，然后更改至相應(yīng)的模式，以幫助佩戴者能夠更清楚地聽(tīng)到來(lái)電。此外，它還常被用于電梯中的樓層檢測(cè)以及檢測(cè)例如平板電腦或手機(jī)等手持設(shè)備是處于打開(kāi)還是關(guān)閉的狀態(tài)。

磁通門(mén)傳感器是在第二次世界大戰(zhàn)中被發(fā)明出的。與其它類(lèi)型測(cè)磁儀器相比，磁通門(mén)傳感器具有分辨率高、測(cè)量弱磁場(chǎng)范圍寬、可靠性高、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)。磁通門(mén)傳感器是被公認(rèn)為精度最高的磁傳感器，可以測(cè)到納特斯拉（nT）級(jí)。因其高靈敏度，在其發(fā)明后不久即被應(yīng)用于探雷、潛艇探測(cè)軍事領(lǐng)域。在民用方面，磁通門(mén)傳感器又被廣泛應(yīng)用于地面磁場(chǎng)研究、航空磁測(cè)、地震預(yù)報(bào)研究、地下礦床勘探、生物醫(yī)學(xué)研究、星際間磁測(cè)以及大電流過(guò)流檢測(cè)等領(lǐng)域。

磁通門(mén)傳感器是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種傳感器，其基本原理為通過(guò)對(duì)鐵磁芯激勵(lì)后，可以實(shí)現(xiàn)鐵磁芯對(duì)外界微弱磁場(chǎng)的靈敏反應(yīng)。磁通門(mén)傳感器的核心結(jié)構(gòu)是繞有三維螺螺旋線(xiàn)圈的鐵磁芯，因其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，目前絕大部分的磁通門(mén)探頭依舊是通過(guò)漆包線(xiàn)在鐵磁芯上繞制而成。這種傳統(tǒng)繞制方式的一個(gè)最大問(wèn)題就是尺寸體積非常大，微型化非常困難，而微型化一直是所有傳感器的重要發(fā)展方向。

磁通門(mén)傳感器的探頭芯片化之所以困難，主要難點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因?yàn)槁菥€(xiàn)式線(xiàn)圈屬于復(fù)雜三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了減小整個(gè)線(xiàn)圈的電阻值，就需要使用較厚的金屬線(xiàn)。電鍍幾乎是目前唯一厚金屬沉積方法。目前已有的資料文獻(xiàn)中，通過(guò)電鍍的方法來(lái)制造MEMS磁通門(mén)傳感器則至少需要三次電鍍，如果加上中間的鐵磁芯電鍍，則需要四次電鍍，制造過(guò)程很復(fù)雜。以一個(gè)150匝線(xiàn)圈為例，其包含有300個(gè)微通孔需要填充。這300個(gè)孔只要有一個(gè)出現(xiàn)斷路等問(wèn)題，則整個(gè)線(xiàn)圈就會(huì)失效。

MEMS磁通門(mén)傳感器一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界重要的研究目標(biāo)。目前市場(chǎng)上唯一可以買(mǎi)到的芯片式磁通門(mén)傳感器由德州儀器（TI）提供，核心技術(shù)一直掌握在國(guó)外廠(chǎng)商手里，國(guó)內(nèi)鮮有成熟的且可以產(chǎn)業(yè)化的MEMS磁通門(mén)傳感器報(bào)道。磁通門(mén)傳感器的性能主要由鐵磁芯決定，而電鍍成型的鐵磁芯的性能通常沒(méi)有單獨(dú)成型的好。此外磁通門(mén)傳感器的線(xiàn)圈尺寸會(huì)影響到器件的功耗，尺寸，器件的一致性等。隨著傳感器件往微小型化的發(fā)展趨勢(shì)，磁通門(mén)傳感器的MEMS化是大勢(shì)所趨。目前磁通門(mén)探頭的市場(chǎng)需求量預(yù)計(jì)在千萬(wàn)顆以上。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期中科院上海微系統(tǒng)所副研究員顧杰斌與國(guó)內(nèi)某上市公司合作，歷時(shí)近三年時(shí)間，研發(fā)出了一款基于晶圓級(jí)MEMS-CasTIng?技術(shù)的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片。有別于傳統(tǒng)的漆包線(xiàn)繞制的方法，磁通門(mén)的三維螺線(xiàn)線(xiàn)圈是通過(guò)液態(tài)合金在預(yù)制的硅微模具上填充成形。通過(guò)這種方法，整個(gè)螺線(xiàn)式線(xiàn)圈是通過(guò)一次成型的方式制造出來(lái)，并且可以實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的批量制造。對(duì)于展開(kāi)后線(xiàn)寬只有數(shù)十微米，長(zhǎng)度有近1米的螺線(xiàn)線(xiàn)，通過(guò)這種一次成型的方式制造出來(lái)，這其中攻克了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)：例如螺旋線(xiàn)圈微模具在硅片上的制造；如何保證填充的合金中不存在微氣泡，任何微氣泡在線(xiàn)槽中的存在會(huì)造成斷路等；解決了填充的液態(tài)金屬在固化過(guò)程中體積收縮從而導(dǎo)致斷裂等一系列問(wèn)題。圖二展示了成功制造的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭芯片的電子顯微鏡照片，可以看到填充飽滿(mǎn)表面平整。

圖一：通過(guò)液態(tài)合金而非漆包線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)螺線(xiàn)式線(xiàn)圈的繞制

圖二：基于MEMS-CasTIng?技術(shù)的磁通門(mén)傳感器探頭芯片圖片

圖三：MEMS-CasTIng?技術(shù)制造的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭與傳統(tǒng)漆包線(xiàn)繞制的探頭比較

三維螺線(xiàn)線(xiàn)圈的總電阻值是其最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，因?yàn)槠渲苯佑绊懙酱磐ㄩT(mén)傳感器探頭的功耗。目前150匝線(xiàn)圈的總電阻值可以做到11歐姆以下，并且有再降低一倍的空間。通過(guò)MEMS-Casting?技術(shù)制造的MEMS磁通門(mén)傳感器已經(jīng)通過(guò)所有相關(guān)可靠性測(cè)試，并且性能表現(xiàn)優(yōu)良。相對(duì)于傳統(tǒng)漆包線(xiàn)繞制的磁通門(mén)傳感器探頭，利用MEMS-Casting?技術(shù)制造的MEMS磁通門(mén)傳感器探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 整個(gè)探頭體積可以縮小2/3；

2. 器件一致性更佳，減少后續(xù)電路調(diào)試成本；

3. 可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)批量制造；

4. 方便與后端信號(hào)調(diào)理電路芯片集成。

該項(xiàng)研究的相關(guān)論文被2019年1月在韓國(guó)首爾召開(kāi)的一年一度IEEE MEMS會(huì)議錄取為口頭報(bào)告。IEEE MEMS會(huì)議是MEMS領(lǐng)域最高級(jí)別國(guó)際會(huì)議，每年輪流在亞洲，美洲和歐洲舉辦。該會(huì)議對(duì)錄取文章的原創(chuàng)性要求極高，特別是口頭報(bào)告，每年的錄取率往往不超過(guò)10%。

該項(xiàng)晶圓級(jí)MEMS-Casting?技術(shù)還可用于半導(dǎo)體先進(jìn)封裝的TSV/TGV填充，以及微波組件的三維堆疊制造等。2018年初，MEMS-Casting?技術(shù)項(xiàng)目獲得西安中科創(chuàng)星投資。目前已成立上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司專(zhuān)門(mén)從事這項(xiàng)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。公司也已完成下一代晶圓級(jí)液態(tài)合金專(zhuān)用成型設(shè)備的研制，并已開(kāi)始給下游客戶(hù)送樣，同時(shí)也在尋求下一輪融資。