CN107894576B - 一种高z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，包括绝缘基底、变轨软磁块和四个磁测量单元，四个磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，变轨软磁块以四个磁测量单元的中心点为中心对称放置在四个磁测量单元上，每一个磁测量单元的一部分位于变轨软磁块的正下方。本发明针对现有方案存在的Z向分辨力不足、补偿效率低等问题，采用变轨软磁块和四个中心对称的磁测量单元实现Z向磁场的高效率变轨，能够实现三轴磁场的聚集放大和平面化测量，有效提高了三轴正交度以及Z向磁场的分辨力，能够实现微弱三轴磁场信号高分辨力测量、磁滞高效补偿，具有能耗低、成本低廉的优点。

Description

一种高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器

技术领域

本发明涉及微弱磁信号探测技术，具体涉及一种高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器。

背景技术

三轴磁传感器能够直接获取磁场的三分量信息，广泛应用于目标探测、地磁导航、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。同时，随着微弱磁场探测、搭载平台小型化等要求的不断提高，磁传感器技术呈现出高分辨力、小体积、低功耗等发展趋势。

随着微机电系统(MEMS)技术的发展，采用MEMS工艺制造的一体化三轴磁传感器在体积、重量、功耗和可靠性等方面展现出了巨大的优势，同时还能有效解决传统组装式三轴磁传感器正交性较差的难题，但现有的MEMS三轴磁场传感器还存在一定的不足，特别是在Z向磁场的高分辨力测量和磁滞非线性抑制等方面。

三轴磁传感器一体化制造中最大的难点在于Z向磁场的高分辨力测量。基于霍尔磁敏感单元和洛伦兹力谐振的三轴磁传感器虽然能够很好地保证正交性，但分辨力普遍不高；采用巨磁阻、隧道磁阻(TMR)等MR敏感单元可以实现高分辨力测量需求，但MR敏感单元通常仅能敏感平面内X或Y方向的磁场，而对于Z方向的磁场不敏感。一般情况下，一体化三轴磁场传感器比组装式三轴磁场传感器具有更好地正交性，而且采用微加工技术还可以实现MR传感器的小型化；但是MR敏感单元仅对所在平面内的磁场敏感，对垂直平面方向的磁场不敏感。解决这个问题主要有两种思路：

1、把磁敏感单元制备在基底斜面上，如：1、在基底上刻蚀出凹坑或者凸台，把MR敏感单元制备在斜侧面上，采用电路单元对各敏感单元的输出信号进行综合处理后获得Z向磁场(专利申请号为US20120068698的美国专利文献)；2、在单晶硅基底的第一表面各向异性蚀刻出第二面，第二面与第一表面之间形成由硅晶体结构决定的夹角(54.74°)，然后把MR敏感单元制备在第二面上，因MR敏感单元与基底平面呈一定夹角，能够测量Z向磁场。然而，以上方案因制备过程中的斜入射等原因，斜面上的MR敏感单元性能较差，给Z向磁场测量造成很大影响。

2、用磁力线变轨结构将垂直平面的Z向磁场转向至平面内后再用高分辨力MR磁敏感单元进行测量，有望同时实现三轴高正交和高分辨力。在基于上述思路测量Z向磁场方面目前也有不少方案提出。如：1、在MR敏感单元两侧制备分立的软磁聚集器，把Z向磁力线少部分扭转引导至平面内进行测量(专利号为US7505233B2的美国专利文献)，但是该方案的Z向磁场转向效率很低，一般仅有百分之几；2、在MR敏感单元两侧的磁变轨聚集器位于一个凹坑中，通过凹坑内和凹坑斜面的磁聚集器实现Z向磁场变轨(公开号为CN103116143A的中国专利文献)；3、把载有MR敏感单元的基底放置在设有一个凹坑的基座上，凹坑内放置软磁块(公开号为CN103323795A的中国专利文献)，较之前的方案，该方案有效提高了Z向磁场的分辨力，但由于凹坑内软磁块的厚度有限，且软磁块离MR敏感单元平面较远，限制了Z向磁场分辨力的进一步提高。

针对磁滞现象制约磁场传感器精度提高的问题，一些单位在降低磁滞非线性影响方面进行了相关研究。葡萄牙的系统工程与计算研究所通过设计MTJ自由层的磁性结构，降低了MTJ磁场响应曲线的磁滞，有效提高了磁传感器的性能，但准确控制MTJ自由层的纳米结构难度较大，并且效果有限；德国的埃尔朗根-纽伦堡大学根据磁滞回线的数学模型，建立了用于降低磁滞非线性算法，有效地降低了磁滞的非线性影响，但其计算结果会让磁场测量值产生一定的误差；国防科技大学(公开号为CN103323794A的中国专利文献)直接从磁滞产生的物理机理出发，设计了用于磁场补偿的平面微线圈，该线圈为完全制备在基底表面的环形线圈，具有结构简单、制备方便的优点，有效降低了磁场传感器磁滞，但是该方案的平面线圈结构松散，外层线圈的补偿效率降低较快，存在补偿效率较低、占空间较大等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有方案存在的Z向分辨力不足、补偿效率低等问题，提供一种采用变轨软磁块和四个中心对称的磁测量单元实现Z向磁场的高效率变轨，能够实现三轴磁场的聚集放大和平面化测量，有效提高了三轴正交度以及Z向磁场的分辨力，能够实现微弱三轴磁场信号高分辨力测量、磁滞高效补偿、能耗低、成本低廉的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，包括绝缘基底、变轨软磁块和四个磁测量单元，所述四个磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，所述变轨软磁块以四个磁测量单元的中心点为中心对称放置在四个磁测量单元上，每一个磁测量单元的一部分位于变轨软磁块的正下方。

优选地，所述磁测量单元包括磁力线聚集器、补偿线圈和磁敏感单元，所述磁力线聚集器为中部设有中轴的环状结构，所述中轴上设有间隙，所述补偿线圈绕设在中轴上的间隙两侧，所述磁敏感单元为由两个敏感磁电阻和两个参考磁电阻组成的惠斯通电桥，所述两个敏感磁电阻布置于绝缘基底的间隙内，所述两个参考磁电阻位于磁力线聚集器下方的磁场屏蔽区域内，所述补偿线圈的两个驱动电极、磁敏感单元的两个驱动电极以及输出电极均布置于绝缘基底上。

优选地，所述间隙与中轴呈45°角布置，且所有磁测量单元中的间隙的朝向方向相同。

优选地，所述磁力线聚集器通过高导磁性膜生长在绝缘基底上制成，或者在绝缘基底上通过电镀或溅射制成。

优选地，所述中轴的两端的宽度向中部逐渐变小。

优选地，所述补偿线圈包括上层线圈和下层线圈，所述上层线圈位于中轴的上表面，所述下层线圈位于中轴的下表面，上层线圈和下层线圈共同形成环形线圈状结构并绕制在中轴的两端。

优选地，所述上层线圈和下层线圈采用电镀成膜的方式制成。

优选地，所述敏感磁电阻和参考磁电阻均为隧道磁电阻传感器TMR。

优选地，所述变轨软磁块通过环氧胶键合的方式固定在磁力线聚集器、补偿线圈构成的平面结构上。

优选地，所述绝缘基底为表面通过气相化学反应沉积一层绝缘层的本征硅。

本发明的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器具有下述优点：

1、本发明包括绝缘基底、变轨软磁块和四个磁测量单元，所述四个磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，所述变轨软磁块以四个磁测量单元的中心点为中心对称放置在四个磁测量单元上，每一个磁测量单元的一部分位于变轨软磁块的正下方，采用变轨软磁块和四个磁测量单元实现Z向磁场的高效率变轨，实现了三轴磁场的聚集放大和平面化测量，能够有效提高三轴正交度以及Z向磁场的分辨力。

2、本发明的结构可采用MEMS工艺制备，具有体积小，实现简单的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图。

图2为图1的A-A剖视结构示意图。

图3为本发明实施例的磁敏感单元结构示意图。

图4为本发明实施例的磁测量单元结构示意图。

图例说明：1、绝缘基底；2、变轨软磁块；3、磁测量单元；31、磁力线聚集器；311、中轴；312、间隙；32、补偿线圈；321、上层线圈；322、下层线圈；33、磁敏感单元；331、敏感磁电阻；332、参考磁电阻。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器包括绝缘基底1、变轨软磁块2和四个磁测量单元3(磁测量单元3#1～磁测量单元3#4)，四个磁测量单元3(磁测量单元3#1～磁测量单元3#4)呈中心对称布置于绝缘基底1的表面，变轨软磁块2以四个磁测量单元3的中心点为中心对称放置在四个磁测量单元3上，每一个磁测量单元3的一部分位于变轨软磁块2的正下方。本实施例的一体化低功耗三轴磁场传感器采用变轨软磁块2和四个磁测量单元3实现Z向磁场的高效率变轨，实现了三轴磁场的聚集放大和平面化测量，能够有效提高三轴正交度以及Z向磁场的分辨力。

本实施例中，绝缘基底1为表面通过气相化学反应沉积一层绝缘层的本征硅。

如图2所示，变轨软磁块2为高导磁软磁材料制成的块状结构，变轨软磁块2通过环氧胶键合的方式固定在磁力线聚集器31、补偿线圈32构成的平面结构上。基于这种结构，使得变轨软磁块2的高度等参数可以不受MEMS工艺中厚膜制备能力的约束(可以从原有的数十微米提升到几毫米)，有利于提升Z向磁场的变轨效率，进而能够克服因变轨效率不足导致Z向磁场分辨力低的缺点。

如图1、图2、图3和图4所示，磁测量单元3包括磁力线聚集器31、补偿线圈32和磁敏感单元33，磁力线聚集器31为中部设有中轴311的环状结构，中轴311上设有间隙312，补偿线圈32绕设在中轴311上的间隙312两侧，磁敏感单元33为由两个敏感磁电阻331和两个参考磁电阻332组成的惠斯通电桥，两个敏感磁电阻331布置于绝缘基底1的间隙312内，两个参考磁电阻332位于磁力线聚集器31下方(所处位置为的磁场屏蔽区域内，磁场被屏蔽不能敏感磁场)，补偿线圈32的两个驱动电极(用于为补偿线圈32接入补偿电流)、磁敏感单元33的两个驱动电极(用于为磁敏感单元33供电)以及输出电极(用于输出磁敏感单元33的检测信号)均布置于绝缘基底1上。磁测量单元3具有下述优点：①补偿线圈32绕设在磁力线聚集器31的中轴311上，补偿系数大，补偿电流和功耗小；②补偿线圈32绕设在中轴311上的间隙312两侧，使得磁力线聚集器31的间隙312两侧形成副边，副边能使得补偿线圈32的磁场形成回路，提高补偿线圈32的补偿系数，降低补偿线圈32的功耗。

参见图3，四个磁测量单元3(磁测量单元3#1～磁测量单元3#4)共包括四个磁敏感单元33(磁敏感单元33#1～磁敏感单元33#4)，每一个磁敏感单元33为由两个敏感磁电阻331和两个参考磁电阻332组成的惠斯通电桥。敏感磁电阻331为惠斯通电桥中不相邻的两个磁电阻，位于间隙内，能够敏感磁场，其电阻值变为R₀+△R。参考磁电阻332为惠斯通电桥中另外不相邻的两个磁电阻，位于磁力线聚集器下方，受到磁力线聚集器的屏蔽不敏感磁场，其电阻值为R₀不发生变化；本实施例中，两个敏感磁电阻331和两个参考磁电阻332组成半桥式的惠斯通电桥。在电源电压V_c的作用下，单个磁敏感单元33的输出如式(1)所示：

式(1)中，V_o表示单个磁敏感单元33的输出，R₀为参考磁电阻332的电阻值，R₀+△R为敏感磁电阻331的电阻值，△R为敏感磁电阻331和参考磁电阻332的电阻差(感应电阻)，V_c为输入磁敏感单元33的电源电压。

参见图1、图3和图4，每一个磁测量单元3共包含六个电极：补偿线圈32的两个驱动电极(用于为补偿线圈32接入补偿电流)、磁敏感单元33的两个驱动电极(用于为磁敏感单元33供电)以及输出电极(用于输出磁敏感单元33的检测信号)，四个磁测量单元3共包含二十四个电极。其中磁敏感单元33#1～磁敏感单元33#4的电极如下：磁敏感单元33#1的两个驱动电极为V_c和GND，磁敏感单元33#1的两个输出电极为V₁₁和V₁₂，磁敏感单元33#2的两个驱动电极为V_c和GND，磁敏感单元33#1的两个输出电极为V₂₁和V₂₂，磁敏感单元33#3的两个驱动电极为V_c和GND，磁敏感单元33#1的两个输出电极为V₃₁和V₃₂，磁敏感单元33#4的两个驱动电极为V_c和GND，磁敏感单元33#1的两个输出电极为V₄₁和V₄₂，毫无疑问，磁敏感单元33#1～磁敏感单元33#4的驱动电极既可以独立供电，也可以根据需要并行供电，其原理与本实施例相同，故在此不再赘述。

如图1和图4所示，间隙312与中轴311呈45°角布置，且所有磁测量单元3中的间隙312的朝向方向相同。四个磁力线聚集器31上的间隙312方向为同一方向，可使所有磁敏感单元33的敏感磁电阻331的敏感方向为同一方向(垂直于间隙312的长边方向)，避免了在同一绝缘基底1上制备不同敏感方向的敏感磁电阻331的困难，大幅降低了敏感磁电阻331的制备难度，同时消除了不同敏感方向敏感磁电阻331之间的相互影响。

本实施例中，磁力线聚集器31通过高导磁性膜生长在绝缘基底1上制成，此外也可以根据需要在绝缘基底1上通过电镀或溅射制成。采用MEMS工艺制备，具有体积小，实现简单的优点。本实施例中，四个磁测量单元3(磁测量单元3#1～磁测量单元3#4)的四个磁力线聚集器31(磁力线聚集器31#1～磁力线聚集器31#4)结构一样，中间有间隙312，均由高磁导率软磁材料(如NiFe、CoZrNb等)制成，并以绝缘基底1的平面中心呈中心对称分布。

如图1和图4所示，中轴311的两端的宽度向中部逐渐变小，可有效增强磁力线聚集器31的磁力线聚集效果，提高磁场传感器的分辨力。本实施例中，中轴311的两端两侧均设有对称楔形结构，通过对称楔形结构来使得中轴311的两端的宽度向中部逐渐变小，实现，两端粗、中间小的结构来增强磁力线聚集效果，提高磁场传感器的分辨力。

如图2所示，补偿线圈32包括上层线圈321和下层线圈322，上层线圈321位于中轴311的上表面，下层线圈322位于中轴311的下表面，上层线圈321和下层线圈322共同形成环形线圈状结构并绕制在中轴311的两端。补偿线圈32直接绕制在磁力线聚集器31的中轴311上，在间隙312处产生的补偿磁场较大，所需的补偿电流相对较小，从而降低了功耗。补偿线圈32产生相应的磁场使得间隙312处的磁场处于相对稳定的状态，可降低磁滞、非线性因素的影响。

本实施例中，上层线圈321和下层线圈322采用电镀成膜的方式制成，电镀成膜的厚度较大，线圈侧面台阶覆盖性好，线圈电阻小、功耗低。但是，上层线圈321和下层线圈322的制备方式并不局限于电镀方式。

本实施例中，敏感磁电阻331和参考磁电阻332均为隧道磁电阻传感器TMR。

本实施例中，变轨软磁块2和四个磁测量单元3(磁测量单元3#1～磁测量单元3#4)共同构成了三轴磁场传感器的基本结构，其三轴磁场的测量与解耦原理如下：

四个磁测量单元3(磁测量单元3#1～磁测量单元3#4)测得的磁场分别如式(2)所示：

式(2)中，B₁～B₄分别为磁测量单元3#1～磁测量单元3#4测得的磁场，G为磁力线聚集器的磁场放大倍数，B_ext-x,B_ext-y,B_ext-z分别为被测磁场的三个分量；k为变轨系数，由变轨软磁块2和四个磁测量单元3共同决定，表示的是Z向磁场转向为平面磁场的效率。

解耦可得到三分量磁场的计算公式如式(3)所示：

式(3)中，B_ext-x,B_ext-y,B_ext-z分别为被测磁场的三个分量，B₁～B₄分别为磁测量单元3#1～磁测量单元3#4测得的磁场，G为磁力线聚集器的磁场放大倍数；k为变轨系数，由变轨软磁块2和四个磁测量单元3共同决定，表示的是Z向磁场转向为平面磁场的效率。因此，采用变轨软磁块2和四个磁测量单元3能够实现Z向磁场的高效率变轨，实现了三轴磁场的聚集放大和平面化测量，能够有效提高三轴正交度以及Z向磁场的分辨力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：包括绝缘基底（1）、变轨软磁块（2）和四个磁测量单元（3），所述四个磁测量单元（3）呈中心对称布置于绝缘基底（1）的表面，所述变轨软磁块（2）以四个磁测量单元（3）的中心点为中心对称放置在四个磁测量单元（3）上，每一个磁测量单元（3）的一部分位于变轨软磁块（2）的正下方；所述磁测量单元（3）包括磁力线聚集器（31）、补偿线圈（32）和磁敏感单元（33），所述磁力线聚集器（31）为中部设有中轴（311）的环状结构，所述中轴（311）上设有间隙（312），所述补偿线圈（32）绕设在中轴（311）的间隙（312）两侧，所述磁敏感单元（33）为由两个敏感磁电阻（331）和两个参考磁电阻（332）组成的惠斯通电桥，所述两个敏感磁电阻（331）布置于绝缘基底（1）的间隙（312）内，所述两个参考磁电阻（332）位于磁力线聚集器（31）下方的磁场屏蔽区域内，所述补偿线圈（32）的两个驱动电极、磁敏感单元（33）的两个驱动电极以及输出电极均布置于绝缘基底（1）上。

2.根据权利要求1所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述间隙（312）与中轴（311）呈45°角布置，且所有磁测量单元（3）中的间隙（312）的朝向方向相同。

3.根据权利要求1所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述磁力线聚集器（31）通过高导磁性膜生长在绝缘基底（1）上制成，或者在绝缘基底（1）上通过电镀或溅射制成。

4.根据权利要求1所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述中轴（311）的两端的宽度向中部逐渐变小。

5.根据权利要求1所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述补偿线圈（32）包括上层线圈（321）和下层线圈（322），所述上层线圈（321）位于中轴（311）的上表面，所述下层线圈（322）位于中轴（311）的下表面，上层线圈（321）和下层线圈（322）共同形成环形线圈状结构并绕制在中轴（311）的两端。

6.根据权利要求5所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述上层线圈（321）和下层线圈（322）采用电镀成膜的方式制成。

7.根据权利要求2所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述敏感磁电阻（331）和参考磁电阻（332）均为隧道磁电阻传感器TMR。

8.根据权利要求1所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述变轨软磁块（2）通过环氧胶键合的方式固定在磁力线聚集器（31）、补偿线圈（32）构成的平面结构上。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的高Z向分辨力的一体化低功耗三轴磁场传感器，其特征在于：所述绝缘基底（1）为表面通过气相化学反应沉积一层绝缘层的本征硅。