磁通門傳感器是由電磁感應效應衍生出來的一類主動式感應變壓器，能夠感應到外界微弱的直流或低頻磁場，因其在噪聲、溫度穩(wěn)定性、磁場分辨率和靈敏度方面的優(yōu)勢，被廣泛應用于定位跟蹤、航空航天、地磁探測和電流檢測等領域。目前，各類設備都朝著小型化發(fā)展，對磁通門質量、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基礎。

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近期，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術國家重點實驗室、中國科學技術大學微電子學院、西南應用磁學研究所等研究人員針對MEMS磁通門傳感器的研究進展進行了綜述分析，相關內容發(fā)表在《磁性材料及器件》期刊。研究人員簡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的發(fā)展歷史，包括微加工技術、PCB技術和MEMS技術；重點總結了MEMS磁通門結構工藝的發(fā)展歷程以及MEMS正交磁通門發(fā)展狀況；介紹了MEMS磁通門傳感器在相應場合的應用優(yōu)勢與發(fā)展狀況，并展望了此領域未來的研究重點。

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

平行磁通門結構

正交磁通門結構

MEMS磁通門傳感器研究

近20年來，隨著加工工藝的進步，微型磁通門愈發(fā)成為了一個備受關注的課題，其研究內容涵蓋了微型結構設計、工藝設計、磁通門材料、信號分析與處理等多個領域，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)初步實現(xiàn)了線圈的微型化和磁芯的集成。如何進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目標。

在工藝技術研究方面，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，擴大了MEMS磁通門傳感器的應用領域。

在結構研究方面，2017年，呂輝等人采用多孔結構對鐵芯進行拓撲結構優(yōu)化，降低了磁通門的功耗。2020年，Szewczyk等人通過仿真證實了磁芯長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。正交型磁通門結構簡單、功耗低，同時具有較好的靈敏度，這些特點使得正交型磁通門在MEMS領域的進一步發(fā)展十分有利。2018年，Tobias Heimfarth在原有MEMS正交磁通門的基礎上對激勵電流增設了直流偏置，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，在很多領域的應用優(yōu)勢十分突出，如機器人測試、電流傳感器、生物磁探測、太空探測、小型無人機等領域。

MEMS磁通門兼具傳統(tǒng)磁通門魯棒性好、靈敏度高、噪聲低的特點和MEMS工藝帶來的小型化、集成度高、匹配性好的優(yōu)點，是探測小型設備產(chǎn)生的微弱磁場或被小型設備搭載探測外磁場的一個新方案。2010年，Maren Ramona等人實現(xiàn)了將跑道型單軸微型磁通門傳感器用來測量機器人關節(jié)的角度位置，可滿足并行機器人高級實時工作空間監(jiān)控的需求。2020年，Sierra Luoma等人將MEMS磁通門磁力計與無人駕駛飛機結合進行地球物理勘探和環(huán)境檢測，進一步提高了所測地磁場的精度和分辨率，產(chǎn)生了具有強邊緣特征和消磁信號的高分辨率地圖。

磁通門傳感器可以在常溫工作，無需與磁場源保持一定距離，它使用主動驅動，低頻噪聲低，是探測生物磁場的一個有利選擇。2019年，Carlo Trigona等人利用MEMS柔性RTD磁通門對神經(jīng)退行患者大腦的特定位置所積累的鐵磁物質進行實時探測，與目前其他磁探測相比，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，美國航天局啟動了“磁層多尺度任務”，該航天器搭載了模擬磁通門磁強計和deltasigma磁通門磁強計，并集成了奧地利IWF格拉茨開發(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法裝載于此類航天器的問題，為太空探測提供了一些新思路。

總而言之，MEMS磁通門是一項非常有前景的技術，不僅能滿足各種場合對小尺寸、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，給各領域的磁測量提供了新的方案。

未來，MEMS磁通門傳感器需要進一步優(yōu)化其結構、制作工藝、磁芯材料、電路匹配，以獲得靈敏度更高、噪聲更低、結構適配度更好的探頭。目前基于MEMS工藝的二維磁通門傳感器技術已經(jīng)相當成熟，相信隨著MEMS技術的發(fā)展，可集成的MEMS三軸磁通門傳感器亦將為時不遠。

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