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原创MEMS-Casting技术加持 中国首款可量产MEMS磁通门传感器探头诞生

2019-04-16 09:18

来源: 微迷网 订阅
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导读: 中科院上海微系统所副研究员顾杰斌与国内某上市公司合作,历时近三年时间,研发出了一款基于晶圆级MEMS-Casting技术的MEMS磁通门传感器探头芯片。

传感器是非常重要的磁场探测传感元件。磁传感器无所不在、尺寸小巧且价格合理,有些可以轻松地和其它电路一同集成到芯片上,因此,磁传感器被人们广泛用于各种应用。磁传感技术在机器人和工厂自动化中的优势尤其明显。由于磁传感器在零件位置和速度检测方面具有更高的可靠性和精确度,因此,它对运动控制而言至关重要。这一优势也让机器手臂和其它部件能够平稳而准确地移动,从而确保高质量和高安全性的制造过程。除汽车外,磁传感器还大量用于如洗衣机和微波炉等家用电器中,以检测电器的门是处于关闭还是打开状态。磁传感器还被广泛用于医疗器械中,例如,当应用于助听器时,它能够检测佩戴者是否携带了手机,然后更改至相应的模式,以帮助佩戴者能够更清楚地听到来电。此外,它还常被用于电梯中的楼层检测以及检测例如平板电脑或手机等手持设备是处于打开还是关闭的状态。

原创MEMS-Casting技术加持 中国首款可量产MEMS磁通门传感器探头诞生

磁通门传感器是在第二次世界大战中被发明出的。与其它类型测磁仪器相比,磁通门传感器具有分辨率高、测量弱磁场范围宽、可靠性高、能够直接测量磁场的分量和适于在运动系统中使用等特点。磁通门传感器是被公认为精度最高的磁传感器,可以测到纳特斯拉(nT)级。因其高灵敏度,在其发明后不久即被应用于探雷、潜艇探测军事领域。在民用方面,磁通门传感器又被广泛应用于地面磁场研究、航空磁测、地震预报研究、地下矿床勘探、生物医学研究、星际间磁测以及大电流过流检测等领域。

磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器,其基本原理为通过对铁磁芯激励后,可以实现铁磁芯对外界微弱磁场的灵敏反应。磁通门传感器的核心结构是绕有三维螺螺旋线圈的铁磁芯,因其复杂的三维结构,目前绝大部分的磁通门探头依旧是通过漆包线在铁磁芯上绕制而成。这种传统绕制方式的一个最大问题就是尺寸体积非常大,微型化非常困难,而微型化一直是所有传感器的重要发展方向。

磁通门传感器的探头芯片化之所以困难,主要难点在于其结构的复杂性。因为螺线式线圈属于复杂三维机械结构,同时为了减小整个线圈的电阻值,就需要使用较厚的金属线。电镀几乎是目前唯一厚金属沉积方法。目前已有的资料文献中,通过电镀的方法来制造MEMS磁通门传感器则至少需要三次电镀,如果加上中间的铁磁芯电镀,则需要四次电镀,制造过程很复杂。以一个150匝线圈为例,其包含有300个微通孔需要填充。这300个孔只要有一个出现断路等问题,则整个线圈就会失效。

MEMS磁通门传感器一直是学术界和产业界重要的研究目标。目前市场上唯一可以买到的芯片式磁通门传感器由德州仪器(TI)提供,核心技术一直掌握在国外厂商手里,国内鲜有成熟的且可以产业化的MEMS磁通门传感器报道。磁通门传感器的性能主要由铁磁芯决定,而电镀成型的铁磁芯的性能通常没有单独成型的好。此外磁通门传感器的线圈尺寸会影响到器件的功耗,尺寸,器件的一致性等。随着传感器件往微小型化的发展趋势,磁通门传感器的MEMS化是大势所趋。目前磁通门探头的市场需求量预计在千万颗以上。

据麦姆斯咨询报道,近期中科院上海微系统所副研究员顾杰斌与国内某上市公司合作,历时近三年时间,研发出了一款基于晶圆级MEMS-Casting技术的MEMS磁通门传感器探头芯片。有别于传统的漆包线绕制的方法,磁通门的三维螺线线圈是通过液态合金在预制的硅微模具上填充成形。通过这种方法,整个螺线式线圈是通过一次成型的方式制造出来,并且可以实现晶圆级的批量制造。对于展开后线宽只有数十微米,长度有近1米的螺线线,通过这种一次成型的方式制造出来,这其中攻克了多项技术难点:例如螺旋线圈微模具在硅片上的制造;如何保证填充的合金中不存在微气泡,任何微气泡在线槽中的存在会造成断路等;解决了填充的液态金属在固化过程中体积收缩从而导致断裂等一系列问题。图二展示了成功制造的MEMS磁通门传感器探头芯片的电子显微镜照片,可以看到填充饱满表面平整。

原创MEMS-Casting技术加持 中国首款可量产MEMS磁通门传感器探头诞生

图一:通过液态合金而非漆包线来实现螺线式线圈的绕制

原创MEMS-Casting技术加持 中国首款可量产MEMS磁通门传感器探头诞生

图二:基于MEMS-Casting技术的磁通门传感器探头芯片图片

原创MEMS-Casting技术加持 中国首款可量产MEMS磁通门传感器探头诞生

图三:MEMS-Casting技术制造的MEMS磁通门传感器探头与传统漆包线绕制的探头比较

三维螺线线圈的总电阻值是其最重要的技术指标之一,因为其直接影响到磁通门传感器探头的功耗。目前150匝线圈的总电阻值可以做到11欧姆以下,并且有再降低一倍的空间。通过MEMS-Casting技术制造的MEMS磁通门传感器已经通过所有相关可靠性测试,并且性能表现优良。相对于传统漆包线绕制的磁通门传感器探头,利用MEMS-Casting技术制造的MEMS磁通门传感器探头具有以下优点:

1. 整个探头体积可以缩小2/3;

2. 器件一致性更佳,减少后续电路调试成本;

3. 可实现晶圆级批量制造;

4. 方便与后端信号调理电路芯片集成。

该项研究的相关论文被2019年1月在韩国首尔召开的一年一度IEEE MEMS会议录取为口头报告。IEEE MEMS会议是MEMS领域最高级别国际会议,每年轮流在亚洲,美洲和欧洲举办。该会议对录取文章的原创性要求极高,特别是口头报告,每年的录取率往往不超过10%。

该项晶圆级MEMS-Casting技术还可用于半导体先进封装的TSV/TGV填充,以及微波组件的三维堆叠制造等。2018年初,MEMS-Casting技术项目获得西安中科创星投资。目前已成立上海迈铸半导体科技有限公司专门从事这项技术的成果转化。公司也已完成下一代晶圆级液态合金专用成型设备的研制,并已开始给下游客户送样,同时也在寻求下一轮融资。

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