环球微头条丨MEMS磁通门传感器研究进展

磁通门传感器是由电磁感应效应衍生出来的一类主动式感应变压器，能够感应到外界微弱的直流或低频磁场，因其在噪声、温度稳定性、磁场分辨率和灵敏度方面的优势，被广泛应用于定位跟踪、航空航天、地磁探测和电流检测等领域。目前，各类设备都朝着小型化发展，对磁通门质量、体积、功耗、集成度有了更高的要求，因此磁通门传感器的微型化研究十分必要，MEMS加工为此提供了技术基础。

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近期，中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室、中国科学技术大学微电子学院、西南应用磁学研究所等研究人员针对MEMS磁通门传感器的研究进展进行了综述分析，相关内容发表在《磁性材料及器件》期刊。研究人员简要分析了磁通门传感器的基本原理，阐述了微型磁通门传感器工艺技术的发展历史，包括微加工技术、PCB技术和MEMS技术；重点总结了MEMS磁通门结构工艺的发展历程以及MEMS正交磁通门发展状况；介绍了MEMS磁通门传感器在相应场合的应用优势与发展状况，并展望了此领域未来的研究重点。

磁通门传感器是一类基于法拉第电磁感应定律的一种主动感应型变压器式器件。磁通门根据被测磁场方向与激励磁场方向的位置关系分为平行磁通门和正交磁通门两种。

平行磁通门结构

正交磁通门结构

MEMS磁通门传感器研究

近20年来，随着加工工艺的进步，微型磁通门愈发成为了一个备受关注的课题，其研究内容涵盖了微型结构设计、工艺设计、磁通门材料、信号分析与处理等多个领域，制作方式也从早期硅微加工工艺、PCB工艺发展到如今的MEMS工艺，研究者们已经初步实现了线圈的微型化和磁芯的集成。如何进一步将磁通门传感器微型化、提高微型化磁通门的性能，是磁通门研究者们不断追求的一个目标。

在工艺技术研究方面，2000年，Chiesi等人第一次利用完整的CMOS工艺制作了微型磁通门传感器。2006年，Choi等人首次将双轴磁通门传感器集成到芯片上，扩大了MEMS磁通门传感器的应用领域。

在结构研究方面，2017年，吕辉等人采用多孔结构对铁芯进行拓扑结构优化，降低了磁通门的功耗。2020年，Szewczyk等人通过仿真证实了磁芯长度的增加显著降低了退磁因子，提高了磁通门传感器的灵敏度。

在MEMS磁通门领域中，正交型磁通门的发展尤其值得一提。正交型磁通门结构简单、功耗低，同时具有较好的灵敏度，这些特点使得正交型磁通门在MEMS领域的进一步发展十分有利。2018年，Tobias Heimfarth在原有MEMS正交磁通门的基础上对激励电流增设了直流偏置，研究证明了正交磁通门基本模型（FMOF）的可行性。随着加工工艺的进步，MEMS正交磁通门可望有良好的发展前景。

MEMS磁通门传感器应用

微型化磁通门传感器因其小尺寸、低成本、高集成度和高匹配性的等特性，在很多领域的应用优势十分突出，如机器人测试、电流传感器、生物磁探测、太空探测、小型无人机等领域。

MEMS磁通门兼具传统磁通门鲁棒性好、灵敏度高、噪声低的特点和MEMS工艺带来的小型化、集成度高、匹配性好的优点，是探测小型设备产生的微弱磁场或被小型设备搭载探测外磁场的一个新方案。2010年，Maren Ramona等人实现了将跑道型单轴微型磁通门传感器用来测量机器人关节的角度位置，可满足并行机器人高级实时工作空间监控的需求。2020年，Sierra Luoma等人将MEMS磁通门磁力计与无人驾驶飞机结合进行地球物理勘探和环境检测，进一步提高了所测地磁场的精度和分辨率，产生了具有强边缘特征和消磁信号的高分辨率地图。

磁通门传感器可以在常温工作，无需与磁场源保持一定距离，它使用主动驱动，低频噪声低，是探测生物磁场的一个有利选择。2019年，Carlo Trigona等人利用MEMS柔性RTD磁通门对神经退行患者大脑的特定位置所积累的铁磁物质进行实时探测，与目前其他磁探测相比，MEMS磁通门传感器的功耗更低、体积更小、空间分辨率更高。

2015年3月，美国航天局启动了“磁层多尺度任务”，该航天器搭载了模拟磁通门磁强计和deltasigma磁通门磁强计，并集成了奥地利IWF格拉茨开发的定制专用集成电路，有效解决了传统磁通门因体积重量无法装载于此类航天器的问题，为太空探测提供了一些新思路。

总而言之，MEMS磁通门是一项非常有前景的技术，不仅能满足各种场合对小尺寸、高精度、低功耗、高鲁棒性等的要求，还可以满足高集成度、高匹配性、低成本的要求，给各领域的磁测量提供了新的方案。

未来，MEMS磁通门传感器需要进一步优化其结构、制作工艺、磁芯材料、电路匹配，以获得灵敏度更高、噪声更低、结构适配度更好的探头。目前基于MEMS工艺的二维磁通门传感器技术已经相当成熟，相信随着MEMS技术的发展，可集成的MEMS三轴磁通门传感器亦将为时不远。

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