[發明專利]一種采用磁變軌結構的Z向磁場傳感器

有效

• 申請號: 201310023657.5
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103116144A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 胡佳飛;田武剛;趙建強;張琦;潘孟春;李季;胡靖華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;周長清

技術領域

本發明主要涉及微弱信號傳感技術領域，特指一種采用磁變軌結構的Z向磁場傳感器。

背景技術

微弱磁場測量在地磁導航、目標探測、地質勘探、生物醫學等領域都有廣泛應用。三軸磁傳感器可以同時測量磁場的三個分量，計算出傳感器的傾角和方位角，在導航、定姿定位等方面比單軸和雙軸傳感器有更廣闊的應用前景，高分辨力、低功耗、小型化是三軸磁傳感器的主要發展方向。

現階段用于磁場測量的三軸磁傳感器類型較多，按實現方式可以分為組裝式和一體式，按其工作原理可以分為磁通門傳感器、霍爾傳感器、洛倫茲力磁傳感器、GMR(Giant?Magnetoresistive，巨磁阻)磁傳感器等。其中，GMR磁傳感器是基于微電子工藝制成的，具有分辨力高、體積小、功耗低、易批量生產等特點，基于GMR效應的三軸磁傳感器有希望實現一體化設計，并且具有高分辨力、小型化和低功耗的特點。

采用組裝方式的三軸磁傳感器主要有一個兩軸和一個單軸、三個單軸這兩種組合，主要有以下幾種結構形式：1、組裝式三軸磁傳感器，其X、Y軸采用GMR單軸傳感器，Z軸采用霍爾傳感器，霍爾傳感器方便測量Z向磁場(專利號：US20110234218A1)；2、集成三個獨立磁傳感器到一個芯片上的三軸測量方案(專利號：US7271586)；3、將三個獨立的MI磁傳感器組裝在一起形成三軸(US7298140B2)；4、將霍爾傳感器和搜索線圈傳感器組裝到一起，可以同時測量恒定磁場和交變磁場，分辨力高，其中測量恒定磁場可以達到100pT，但是由于采用三維線圈結構，體積較大，無法實現三軸磁傳感器的小型化且不便批量生產；5、基于GMR敏感元件的環形磁力線聚集器結構，并對其進行了有限元仿真分析，這種結構可以提高GMR敏感元件的靈敏度，但三個分立的環形聚集器工藝難以實現，而且需要放在一起組裝形成三軸磁傳感器。一般而言，組裝式三軸磁傳感器的三軸正交性依賴于組裝精度，而采用MEMS工藝制作的一體式三軸磁傳感器具有更好的正交性。

在采用MEMS工藝的一體式三軸磁傳感器方面，現有技術中也有不少方案提出：1、通過一定工藝在同一基底上制作不同釘扎方向的MR磁傳感器，并在測量Z向磁場的MR敏感元件旁邊制作軟磁材料的聚集器，一體化制作形成基于MR效應的三軸磁傳感器。2、將測量垂直平面的Z向磁場的傳感器做到斜面上，與測量X、Y向磁場的平面內傳感器一起實現三軸測量(專利號：US7564237、US7126330)，實現了一體化制作，但是斜面上的MR磁傳感器制作難度相對較大，與平面內磁傳感器的一致性難以保證。3、將MR敏感元件制作在基底的斜面上用來測量Z向磁場，和平面內的MR敏感元件一體化制作，形成三軸磁傳感器(專利號：US20120268113A1、US20090027048A1、US20090027048)。4、另有人采用CMOS工藝在一個硅片上實現基于霍爾效應的磁場三軸傳感器，保證了三軸之間的正交性，無磁滯效應，也不需要特殊的磁性材料，可以同時測量三分量，但分辨力低，約21μT。5、采用微加工技術在GaAs基底上利用熱應力使制作的霍爾傳感器與基底平面大體垂直，形成三軸霍爾傳感器，實現了三軸磁傳感器的小型化和一體化設計制造，工藝流程相對簡單，但其Z向傳感器與平面的夾角難以精確控制，所有三軸之間的正交性難以保證，而且最小可探測在2μT左右。6、有人利用永磁體膜和外磁場的相互作用力改變壓阻敏感元件輸出的原理，采用MEMS加工技術在硅片上實現三軸磁傳感器的一體化設計，保證了傳感器的小型化和一體化，但可以達到的分辨力有限，目前其Z向磁場的測量分辨力為250nT。7、由于置于磁場中的通電導體會受到洛倫茲力的作用力，通過結構設計把這種作用力產生位移，引起電容變化，測量電容即可得到磁場量值，采用MEMS技術的洛倫茲力三軸磁傳感器，無磁滯效應，也不需要特殊的磁性材料，可以保證正交性、小型化、低功耗，但這種原理的磁傳感器所能達到的分辨力不高，目前其Z分量的測量分辨力為70nT左右，而且低于平面內磁場測量的分辨力。8、在雙軸GMR磁傳感器基礎上，利用NiFe板將垂直平面的磁場分量扭曲至平面后測量，形成三軸MR傳感器，可用表面微加工技術實現，但扭曲后的磁場分量較小，Z向磁場測量分辨力較低。