高性能小型化磁E+E传感器技术
一直以来，“磁”在人类历史进程中扮演着十分重要的角色；尤其是随着磁电子学的兴起，与地磁场相关的弱磁探测更是迎来了新的发展契机，无人机磁反潜、地磁导航、智能磁引信等新兴弱磁应用正急需高性能小型化的三轴磁E+E传感器。GMR磁E+E传感器因体积小、功耗低、灵敏度较高等优势，已成为高性能磁E+E传感器发展的一个热点方向。但目前，1/f噪声、磁滞和三轴非正交等问题严重困扰着GMR磁E+E传感器的发展。

高性能小型化磁E+E传感器技术
在国家自然科学基金项目支持下，从理论探索、仿真设计、工艺制造及实验评估等方面对新型MEMS/GMR三轴一体化磁E+E传感器开展了系统深入的研究，取得了丰富的成果。提出了一套机-电-磁微结构磁场传感理论，为克服GMR磁E+E传感器的1/f噪声、磁滞和三轴非正交等普遍性问题提供了系统的解决方法。利用电磁场理论和有限元仿真方法深入研究了磁力线垂动调制、变轨、磁场跟踪补偿、三维磁场联合调控与传感、机-电-磁噪声干扰耦合等基本内容，并由此提出了机-电-磁微结构磁场传感理论。基于动态分流思想提出的垂动调制方式通过高频振动的机-电-磁微结构直接调制被测磁场，可大幅降低1/f噪声对GMR磁E+E传感器低频探测能力的限制，与现有调制方式相比具有调制效率高、结构工艺简单等优势；提出的磁力线变轨调控方式通过特定软磁微结构将垂直的Z向磁场引导至X-Y平面，使GMR磁E+E传感器能够实现三维磁场的平面化测量，从而有效提升其三轴正交性；基于磁畴运动规律揭示了GMR磁敏感体中磁滞产生的内在机理，并指出通过跟踪补偿被测磁场，可使磁敏感体内磁化状态基本保持恒定，从而实现对磁滞和非线性的抑制；基于垂动调制、变轨和磁场跟踪补偿等磁场调控方式建立的三维磁场联合调控与传感理论能够有效提升GMR三轴磁E+E传感器的综合性能；基于等效电路分析方法，建立了静电干扰和机械振动噪声的耦合机理模型，揭示了机-电-磁微结构中多物理场耦合作用的主要规律，进一步丰富和完善了上述磁场传感理论。提出了一种新型的MEMS/GMR三轴一体化磁E+E传感器设计方案，并建立了相应的优化设计方法。基于机-电-磁微结构磁场传感理论，将GMR磁敏感体、垂动调制膜、变轨软磁块、微硅压电回旋梁以及微补偿线圈等结构有机融合，提出了一种新型的MEMS/GMR三轴一体化磁E+E传感器设计方案。基于先总体再局部和对称分层的设计思想，综合运用电磁和结构有限元仿真方法，系统地建立了以调制效率、变轨系数、模态频率及电磁感应常数等为核心评价指标的优化设计方法。利用ANSYS磁场有限元仿真方法完成了垂动调制膜和变轨结构的参数优化设计，调制效率和变轨系数分别达到了30%和0.65;利用COMSOL结构有限元分析方法对微硅压电回旋梁进行了结构模态和抗干扰能力分析，并以一阶模态频率和静态位移为评价指标，对其尺寸进行了优化设计；利用MAXWELL电磁有限元仿真方法对微补偿线圈在软磁微结构作用下的励磁规律进行了研究，并根据电磁感应常数、电阻及功耗等评价指标完成了微补偿线圈的优化设计。突破了硅基软磁微结构制备、微硅结构高精加工、微补偿线圈制备和多层微结构低温互联等关键工艺，建立了一套较为完备的MEMS/GMR三轴一体化磁E+E传感器探头制造工艺体系。采用磁控溅射种子层和掩模电镀方法，实现了大厚度单晶硅基软磁微结构的高质量制备，经表征，沉积的Ni Fe膜厚度大于10μm,相对磁导率高于1000,*满足磁E+E传感器对软磁微结构的要求；针对常用传递式对准标记系统误差较大的不足，建立了一套适用于MEMS/GMR三轴一体化磁E+E传感器微结构制造的基准式对准标记系统；建立了以温度、浓度和清洁度为关键工艺条件的单晶硅湿法腐蚀控制方法，有效提高了微硅结构的面形加工精度；基于湿法计时减薄方法，实现了高度控制层的厚度精确控制，同时采用降低腐蚀温度和加强清洗的方法来抑制“金字塔”凸起，所得表面的粗糙度优于30nm;采用氧等离子体清洗技术，提高了Cr/Cu/Cr复合金属膜与玻璃基底的结合性能，并通过侧蚀补偿和腐蚀工艺优化，实现了大深宽比微补偿线圈的制造；为了解决低温条件下多层微结构的高精度互联问题，提出了基于水膜吸附的分立微结构高精度对准方法和基于旋胶-蘸胶方式的胶粘固联工艺，可有效提高磁E+E传感器探头制造精度。基于上述工艺方法zui终建立了一套较为完备的MEMS/GMR三轴一体化磁E+E传感器探头制造工艺体系。以上实验结果较好地验证了机-电-磁微结构磁场传感理论的有效性和正确性。

高性能小型化磁E+E传感器技术
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