近日，中国电科9所突破从器件设计到材料制备等多项关键技术，研制出高性能的MEMS磁通门传感器。MEMS磁通门传感器作为一种高精度弱磁场传感器，能够感应到外界微弱的直流或低频磁场，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，且长期以来依赖进口。

为填补该领域技术空白，9所技术团队瞄准微型化集成、薄膜磁心材料、MEMS制备工艺、测试优化方案等方面，持续创新突破，成功研制高性能MEMS磁通门传感器。未来，技术团队将进一步优化其结构、制作工艺、磁心材料、电路匹配，使MEMS磁通门传感器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，为各领域的磁测量提供新的解决方案。

MEMS磁通门传感器研究

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。

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。

据麦姆斯咨询报道，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。

MEMS磁通门传感器应用广泛

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。在MEMS磁通门领域中，正交型磁通门的发展尤为值得关注。正交型磁通门结构简单、功耗低，同时具有较好的灵敏度，这些特点使得其成为MEMS领域的热门研究对象。例如，Tobias Heimfarth于2018年在原有MEMS正交磁通门的基础上增设了激励电流的直流偏置，研究证明了正交磁通门基本模型（FMOF）的可行性。

MEMS磁通门传感器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，因而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优秀新方案。

例如，Ramona等于2010年实现了使用跑道型单轴微型磁通门传感器测量机器人关节的角度位置，满足并行机器人高级实时工作空间监控的需求；Luoma等于2020年将MEMS磁通门与无人驾驶飞机结合进行地球物理勘探和环境检测，产生了具有强边缘特征和消磁信号的高分辨率地图。

此外，MEMS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，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。例如，Trigona等于2019年利用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，与现有其他磁探测相比，该传感器的功耗更低、体积更小、空间分辨率更高。

另外，美国航天局于2015年启动的“磁层多尺度任务”航天器项目成功搭载了模拟磁通门和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。

MEMS磁通门传感器需求增长迅猛

如今这个时代，智能化趋势可谓愈加明显，传感器被称为“电五官”，已经和计算机、通信已经并称为现代信息技术的三大支柱。而在传感器领域，随着需求的牵引和技术的推动，传感器整体发展趋势变成了集成化、低功耗、高性能。而在这种背景下，MEMS（微机电系统）传感器的重要性日渐凸显，在消费电子、汽车工业、航空航天等领域得到了广泛的应用。

简单来说，MEMS传感器作为探测和检测物理、化学、生物等现象和信号的器件，特征尺寸一般在0.1微米～100微米范围，制造工艺上有着一定的行业壁垒，喜欢挑战的玩家们便在这条赛道上准备勇攀高峰。

从实验室研发情况来看，最近中国电科9所突破了从器件设计到材料制备等关键技术，研制出高性能的MEMS磁通门传感器，直接打破了该类传感器长期以来依赖进口的局面。

磁通门电流传感器在许多领域都有应用，比如：电力行业：磁通门电流传感器可以用于电力系统的电流监测、保护装置和电能表等。例如，磁通门电流传感器可以用于测量输电线路上的电流，从而实现电网故障检测和电力系统保护。变频器和马达控制：磁通门电流传感器可以用于测量电动机驱动器和变频器的输入和输出电流，以实现对电机的准确控制和保护。电池管理系统：在电动汽车和可充电设备中，磁通门电流传感器可以用于测量电池充放电过程中的电流，从而实现电池管理系统的优化和保护。

MEMS磁通门传感器具有广泛的应用前景。未来，该领域的研究将致力于进一步优化传感器的结构、制作工艺、材料以及电路匹配等方面，以实现更高的灵敏度、更低的噪声、更好的结构适配度以及更高的集成度。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。

文章来源： 中国电科，电子发烧友，星空财富BJ，如是有为