[發明專利]一種高Z向分辨力的一體化低功耗三軸磁場傳感器

有效

• 申請號: 201711023266.8
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107894576B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 胡佳飛;潘孟春;胡靖華;田武剛;杜青法;陳棣湘;李雨桐;潘龍;孫琨;李裴森;彭俊平;邱偉成
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 43008 湖南兆弘專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 譚武藝<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明公開了一種高Z向分辨力的一體化低功耗三軸磁場傳感器，包括絕緣基底、變軌軟磁塊和四個磁測量單元，四個磁測量單元呈中心對稱布置于絕緣基底的表面，變軌軟磁塊以四個磁測量單元的中心點為中心對稱放置在四個磁測量單元上，每一個磁測量單元的一部分位于變軌軟磁塊的正下方。本發明針對現有方案存在的Z向分辨力不足、補償效率低等問題，采用變軌軟磁塊和四個中心對稱的磁測量單元實現Z向磁場的高效率變軌，能夠實現三軸磁場的聚集放大和平面化測量，有效提高了三軸正交度以及Z向磁場的分辨力，能夠實現微弱三軸磁場信號高分辨力測量、磁滯高效補償，具有能耗低、成本低廉的優點。

技術領域

本發明涉及微弱磁信號探測技術，具體涉及一種高Z向分辨力的一體化低功耗三軸磁場傳感器。

背景技術

三軸磁傳感器能夠直接獲取磁場的三分量信息，廣泛應用于目標探測、地磁導航、地質勘探、生物醫學等軍事和國民經濟領域。同時，隨著微弱磁場探測、搭載平臺小型化等要求的不斷提高，磁傳感器技術呈現出高分辨力、小體積、低功耗等發展趨勢。

隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，采用MEMS工藝制造的一體化三軸磁傳感器在體積、重量、功耗和可靠性等方面展現出了巨大的優勢，同時還能有效解決傳統組裝式三軸磁傳感器正交性較差的難題，但現有的MEMS三軸磁場傳感器還存在一定的不足，特別是在Z向磁場的高分辨力測量和磁滯非線性抑制等方面。

三軸磁傳感器一體化制造中最大的難點在于Z向磁場的高分辨力測量。基于霍爾磁敏感單元和洛倫茲力諧振的三軸磁傳感器雖然能夠很好地保證正交性，但分辨力普遍不高；采用巨磁阻、隧道磁阻(TMR)等MR敏感單元可以實現高分辨力測量需求，但MR敏感單元通常僅能敏感平面內X或Y方向的磁場，而對于Z方向的磁場不敏感。一般情況下，一體化三軸磁場傳感器比組裝式三軸磁場傳感器具有更好地正交性，而且采用微加工技術還可以實現MR傳感器的小型化；但是MR敏感單元僅對所在平面內的磁場敏感，對垂直平面方向的磁場不敏感。解決這個問題主要有兩種思路：

1、把磁敏感單元制備在基底斜面上，如：1、在基底上刻蝕出凹坑或者凸臺，把MR敏感單元制備在斜側面上，采用電路單元對各敏感單元的輸出信號進行綜合處理后獲得Z向磁場(專利申請號為US20120068698的美國專利文獻)；2、在單晶硅基底的第一表面各向異性蝕刻出第二面，第二面與第一表面之間形成由硅晶體結構決定的夾角(54.74°)，然后把MR敏感單元制備在第二面上，因MR敏感單元與基底平面呈一定夾角，能夠測量Z向磁場。然而，以上方案因制備過程中的斜入射等原因，斜面上的MR敏感單元性能較差，給Z向磁場測量造成很大影響。

2、用磁力線變軌結構將垂直平面的Z向磁場轉向至平面內后再用高分辨力MR磁敏感單元進行測量，有望同時實現三軸高正交和高分辨力。在基于上述思路測量Z向磁場方面目前也有不少方案提出。如：1、在MR敏感單元兩側制備分立的軟磁聚集器，把Z向磁力線少部分扭轉引導至平面內進行測量(專利號為US7505233B2的美國專利文獻)，但是該方案的Z向磁場轉向效率很低，一般僅有百分之幾；2、在MR敏感單元兩側的磁變軌聚集器位于一個凹坑中，通過凹坑內和凹坑斜面的磁聚集器實現Z向磁場變軌(公開號為CN103116143A的中國專利文獻)；3、把載有MR敏感單元的基底放置在設有一個凹坑的基座上，凹坑內放置軟磁塊(公開號為CN103323795A的中國專利文獻)，較之前的方案，該方案有效提高了Z向磁場的分辨力，但由于凹坑內軟磁塊的厚度有限，且軟磁塊離MR敏感單元平面較遠，限制了Z向磁場分辨力的進一步提高。