鄭闊海，楊生勝，王 鹢，趙 琳，李存惠，孔風(fēng)連，姚日劍

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

上世紀(jì)90年代冷戰(zhàn)結(jié)束后，各航天大國(guó)軍備預(yù)算大幅下降，以美國(guó)為首的航天大國(guó)的空間研發(fā)基金投資發(fā)生巨大轉(zhuǎn)向，其結(jié)果就是現(xiàn)代化小型航天器的出現(xiàn)。這些小衛(wèi)星的研制宗旨是以廉價(jià)的成本投入，完成傳統(tǒng)航天器的使命。NASA等將小衛(wèi)星定位為FCB(快速，廉價(jià)，優(yōu)質(zhì))［1］。這些小衛(wèi)星通過(guò)商業(yè)化道路以吸引民間閑散基金;通過(guò)減小自身重量的優(yōu)勢(shì)以降低發(fā)射成本;通過(guò)商業(yè)替代品作為載荷以縮減載荷成本，這有效緩解了各國(guó)軍備預(yù)算的壓力。使得小衛(wèi)星通過(guò)商業(yè)化運(yùn)作的途徑，更容易吸收最新科技成果。

小衛(wèi)星重量不超過(guò)500 kg，目前各國(guó)小衛(wèi)星研制多指向納米衛(wèi)星(1～10 kg)和微衛(wèi)星(10～100 kg)?？臻g環(huán)境監(jiān)測(cè)及新技術(shù)的空間適應(yīng)性驗(yàn)證是小衛(wèi)星的歷史使命之一?？臻g磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)是空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的磁通門(mén)受尺寸、重量、功耗及成本的限制，很難應(yīng)用于小衛(wèi)星。得益于半導(dǎo)體和集成工藝的飛速發(fā)展，基于磁電阻效應(yīng)的MR(MagnetoResistance)磁電阻傳感器異軍突起，成為小衛(wèi)星進(jìn)行空間磁場(chǎng)測(cè)量的首選。

2 空間磁場(chǎng)測(cè)量的需求

空間磁場(chǎng)測(cè)量是磁測(cè)量技術(shù)重要應(yīng)用方向之一，包括磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向的測(cè)量?？臻g磁場(chǎng)測(cè)量的需求主要包括以下幾個(gè)方面［2］:

1)航天器姿態(tài)控制空間磁場(chǎng)范圍很寬(5×10－3nT～2×106nT)，運(yùn)行于低地球軌道的航天器受地磁場(chǎng)的影響，產(chǎn)生姿態(tài)擾動(dòng)而影響姿控;對(duì)于無(wú)嚴(yán)格定向要求的航天器，采用磁測(cè)量方法進(jìn)行姿態(tài)控制是通用方法。

2)航天器動(dòng)力源低地球軌道航天器作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁阻尼，并導(dǎo)致表面電位升高，如ISS感生電動(dòng)勢(shì)高達(dá)20V;通過(guò)航天器的合理設(shè)計(jì)，可將磁阻尼轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，如Tether。

3)星體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遙測(cè)磁場(chǎng)測(cè)量是僅有的可以了解星體內(nèi)部信息的遙測(cè)手段之一(重力測(cè)試是另一種遙測(cè)手段)，而不是單單針對(duì)星體表面及大氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

4)空間天氣學(xué)空間天氣已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，空間磁測(cè)量是其重要研究?jī)?nèi)容。美國(guó)的空間天氣計(jì)劃，NASA的LWS(Living with a Star)計(jì)劃以及包括NASA的日地探測(cè)器在內(nèi)的太陽(yáng)－地球體系研究都將空間磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一。歐洲、俄羅斯、及日本都制定了類(lèi)似磁測(cè)量計(jì)劃。

5)深空探測(cè)通常地磁場(chǎng)對(duì)中高軌道的影響可以忽略，但更遠(yuǎn)的深空受太陽(yáng)風(fēng)及星際粒子的影響存在星際磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)量可以獲得太陽(yáng)系內(nèi)不同星體的信息，如Appollo及Lunar Prospector(LP)給出了關(guān)于月球磁場(chǎng)的詳細(xì)信息。所以深空磁場(chǎng)探測(cè)具有重要的科學(xué)價(jià)值。

3 磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

磁傳感器種類(lèi)很多，每種傳感器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。表1給出了美國(guó)NIST對(duì)磁傳感器調(diào)研的結(jié)果［3］。

表1 各種磁傳感器比較/數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)NIST

1)檢測(cè)線圈

檢測(cè)線圈技術(shù)是一項(xiàng)基于法拉第電磁感應(yīng)定律的成熟的，低成本，高靈敏度技術(shù)。檢測(cè)線圈是一種通量傳感器，只有采用大線圈才能獲得很高的靈敏度。

2)霍爾磁傳感器

霍爾磁傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一項(xiàng)成熟技術(shù)，該類(lèi)型傳感器在很寬的尺寸范圍內(nèi)(1μm～1mm)都具有較高靈敏度。但信噪比較低，測(cè)量頻率小于1kHz。優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)大尺寸范圍進(jìn)行檢測(cè)，缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差。

3)磁通門(mén)

磁通門(mén)以軟磁芯對(duì)磁場(chǎng)的非線性響應(yīng)為基礎(chǔ)。利用AC信號(hào)激勵(lì)初級(jí)線圈驅(qū)動(dòng)軟磁芯，通過(guò)檢測(cè)次級(jí)線圈的二次諧波信號(hào)獲得待測(cè)磁場(chǎng)的信息。磁通門(mén)具有高靈敏度，其系統(tǒng)也相對(duì)簡(jiǎn)單。近年來(lái)盡管也出現(xiàn)了各種磁通門(mén)微型化技術(shù)，但與半導(dǎo)體工藝兼容性差，很難進(jìn)行集成化。磁通門(mén)作為一種通量傳感器，由于體積較大，功耗較高，NIST的研究結(jié)果表明低噪聲的薄膜磁通門(mén)幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的。

4)超導(dǎo)量子干涉儀

SQUIDs是目前最靈敏的磁場(chǎng)傳感器，其基本原理是基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化效應(yīng)。此傳感器也是一種通量傳感器，但需工作在低溫環(huán)境(～77 K)。目前，SQUIDs技術(shù)及其系統(tǒng)測(cè)量精度已接近理論水平。但受工作溫度限制，很難在空間應(yīng)用。

5)各向異性磁電阻傳感器

AMR磁傳感器是利用各向異性的磁性材料在不同磁場(chǎng)方向和外部電流條件下，磁致電阻不同的現(xiàn)象制成的磁傳感器。AMR也是一種成熟的技術(shù)，根據(jù)需求不同傳感器尺寸約在1μm～100 μm，可與半導(dǎo)體電路進(jìn)行集成并能實(shí)現(xiàn)陣列化。AMR傳感器靈敏度取決于各向異性磁致電阻效應(yīng)(＜5%)的大小，其1/f噪聲較GMR和TMR低，只是由于磁致電阻較小，輸出信號(hào)較弱。

6)巨磁電阻傳感器

GMR效應(yīng)是在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)的新效應(yīng)，當(dāng)相鄰磁性薄膜層間因相對(duì)磁化方向發(fā)生改變而導(dǎo)致磁電阻發(fā)生巨大變化的一種現(xiàn)象。GMR效應(yīng)導(dǎo)致的磁電阻變化可達(dá)70%，遠(yuǎn)高于AMR效應(yīng)。GMR傳感器的技術(shù)難點(diǎn)在于只有在很高的飽和場(chǎng)下才能獲得高的磁致電阻;如何將1/f噪聲降低到AMR效應(yīng)的相同水平是GMR的另一技術(shù)問(wèn)題。采用磁聚集器(Magnetic Flux Concentrator)后，GMR已實(shí)現(xiàn)10 fT/Hz0.5(1 Hz，4.2 K條件下)的高靈敏度。

7)隧道磁電阻傳感器

TMR結(jié)構(gòu)與GMR相似均為三明治結(jié)構(gòu)，以兩層鐵磁性材料為電極，只是中間由非磁性金屬層改為金屬氧化物絕緣材料層。TMR傳感器是利用兩電極電子隧穿電阻的變化而制成的器件，其磁致電阻高達(dá)600%，靈敏度高是其主要特點(diǎn)，并兼具了AMR和GMR器件的優(yōu)點(diǎn)。1/f噪聲依然是TMR的技術(shù)難點(diǎn)。

AMR、GMR和TMR傳感器的制造工藝與半導(dǎo)體工藝兼容，易于集成，因而具有低功耗、輕質(zhì)量和小尺寸的優(yōu)勢(shì)，正符合小衛(wèi)星空間磁測(cè)量任務(wù)的需求，并已進(jìn)行多次空間飛行驗(yàn)證。此外，磁性測(cè)量傳感器還有多種類(lèi)型，可參考文獻(xiàn)［3］。

4 磁阻傳感器空間應(yīng)用

1978年發(fā)射的MAGION-1只有15 kg，是第一個(gè)真正意義上的小衛(wèi)星，其目的是研究磁層和電離層。此衛(wèi)星尺寸為300×300×150 mm3，攜帶有矢量磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行地磁場(chǎng)測(cè)量［4］。從此，空間用磁強(qiáng)計(jì)開(kāi)始向微型化發(fā)展。擁有一個(gè)或幾個(gè)大盒子，功耗在數(shù)瓦量級(jí)的磁通門(mén)，逐步被具有相同磁測(cè)試功能的微傳感器所代替。實(shí)際上，微型傳感器因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)陣列化［5］，并配置了溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償，更適合應(yīng)用在某些領(lǐng)域，從而達(dá)到磁性能要求與空間分辨率的較佳搭配［6］。

ESA的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)衛(wèi)星正說(shuō)明了這一趨勢(shì)。LISA任務(wù)目的是檢測(cè)黑洞產(chǎn)生的引力波。LISA凈磁條件要求十分嚴(yán)格，計(jì)劃之初，擬采用4個(gè)磁通門(mén)進(jìn)行磁環(huán)境的測(cè)量。但是，此方法很難獲得LISA內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，最終ESA決定采用具有溫度補(bǔ)償?shù)墓虘B(tài)陣列磁傳感器(MR傳感器)替代磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量［7］。

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，60%以上的小衛(wèi)星采用了微型化磁傳感器進(jìn)行姿態(tài)控制，以UoSAT-1或OSCAR-9為標(biāo)志，隨后微型衛(wèi)星逐漸發(fā)展并成熟起來(lái)［8］。磁阻傳感器開(kāi)始應(yīng)用于微小衛(wèi)星，如圖1所示。

目前小衛(wèi)星空間測(cè)量任務(wù)中，磁通門(mén)技術(shù)和MR技術(shù)均有應(yīng)用。圖1展示了AMR和GMR傳感器從基礎(chǔ)研究到空間應(yīng)用的歷史。AMR技術(shù)在上世紀(jì)90年代就已成熟，并在地面獲得了廣泛的應(yīng)用。GMR得益于大規(guī)模集成電路技術(shù)，獲得了飛速的發(fā)展。2003年，發(fā)射了幾顆搭載AMR的衛(wèi)星:美國(guó)的ION-F［9］，加拿大的 CanX-1［10，11］，Danish 的 DTUsat［12］和 AAU Cubesat［13］等。此外，西班牙的 NANOSAT、挪威的 NCubes、日本的CUTE1.7和美國(guó)的ION［14］均采用了Honeywell公司生產(chǎn)的AMR磁傳感器。西班牙空間技術(shù)國(guó)家研究所(INTA)正在為OPTOS開(kāi)發(fā)微型化的GMR三軸傳感器［15］。INTA同時(shí)也在為納米衛(wèi)星NANOSAT-1B開(kāi)發(fā)三軸磁電感傳感器。兩顆星的磁分辨率為10 nT。這些MR傳感器部分執(zhí)行空間磁場(chǎng)測(cè)量任務(wù)，部分則擔(dān)負(fù)著小衛(wèi)星的姿態(tài)控制任務(wù)。TMR技術(shù)由于起步較晚，目前尚未見(jiàn)到空間應(yīng)用的報(bào)道，但美國(guó)軍方已經(jīng)研制成功分辨率高達(dá)pT量級(jí)TMR傳感器，并將其列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。除上述應(yīng)用外，早在上世紀(jì)，NASA劉易斯研究中心就開(kāi)始采用GMR技術(shù)，為ISS結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)［16］。

圖1 MR傳感器空間應(yīng)用歷程

總的來(lái)說(shuō)，微型化磁電阻傳感器作為新興起的磁測(cè)量技術(shù)，與磁通門(mén)相比在地磁測(cè)量方面，穩(wěn)定性和分辨率稍差，但是在重量、功耗及尺寸方面占據(jù)著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在航天器的微型化發(fā)展過(guò)程中有著無(wú)可替代的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

就微型磁阻傳感器的空間應(yīng)用而言，空間磁場(chǎng)測(cè)量是其應(yīng)用方向之一，當(dāng)需要精確測(cè)繪某一區(qū)域的磁場(chǎng)和需要高空間分辨率時(shí)，陣列化的MR傳感器更具優(yōu)勢(shì)，可輕易實(shí)現(xiàn)局部磁場(chǎng)的點(diǎn)測(cè)量，較磁通門(mén)更適合于空間磁場(chǎng)測(cè)繪;其次，微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制更適合采用微型磁阻傳感器;最后，根據(jù)NASA經(jīng)驗(yàn)，空間大型航天器結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件的無(wú)損探傷，深空探測(cè)任務(wù)將是今后微型磁阻傳感器較有潛力的應(yīng)用方向。

當(dāng)然，新技術(shù)在空間的使用過(guò)程需要經(jīng)過(guò)反復(fù)考驗(yàn)和測(cè)試，以保證其可靠性。在技術(shù)不成熟時(shí)，空間應(yīng)用成本將十分昂貴，但是磁電阻傳感器的發(fā)展及其競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)展現(xiàn)出在小型化航天器中應(yīng)用的良好勢(shì)頭。

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