王江濤，潘海林，張 清

(華東師范大學 計算機科學與軟件工程學院·上?！?00062)

0 引 言

自從我國在2014年明確提出推進民營商業(yè)資本進入航天領域，越來越多的商業(yè)公司便進入到了航天市場，拉開了我國商業(yè)航天時代的序幕。從國家頒布的《關于促進衛(wèi)星應用產業(yè)發(fā)展的若干意見》來看，可以預估我國衛(wèi)星產業(yè)的規(guī)模至2020年可達5560億元以上，帶動上下游經(jīng)濟產值可望突破萬億元規(guī)模。從全球來看，發(fā)達國家的眾多衛(wèi)星星座計劃開始進入實質階段，小衛(wèi)星發(fā)射市場需求也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，預計今后幾年內的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量會達到一個高峰。據(jù)SpaceWorks數(shù)據(jù)庫的預測，2018年到2023年，全球將發(fā)射質量在1～50kg的微納衛(wèi)星近2400顆；同時NSR也預測，在未來6～7年，全球將發(fā)射約2200顆質量在100kg以下的微小衛(wèi)星。由此可見，微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星將成為未來商業(yè)航天的發(fā)展熱點。這種發(fā)展趨勢，對星載導航控制載荷提出了高性能、低質量、低功耗的要求。多種技術可以作為星載導航的控制載荷，起到衛(wèi)星姿態(tài)控制作用[1-2]。這其中，磁羅盤技術在確保精度要求的前提下具有載荷小、功耗低和成本低的優(yōu)勢。

從現(xiàn)有的磁探測技術來看，傳統(tǒng)的磁通門測量設備具有較高的精度和穩(wěn)定性，在各類衛(wèi)星上有較為廣泛的應用[3]。但是，磁通門設備由于受到結構因素的制約，體積和功耗無法再減小，與集成芯片化的載荷需求存在一定的距離。在市場上現(xiàn)有的磁場傳感器芯片中，霍爾效應器件可以實現(xiàn)較小的功耗和體積。但是，霍爾效應器件的靈敏度較低，無法滿足高精度的導航需求。近年來，也有采用磁阻芯片用于衛(wèi)星導航的報導[4]。磁阻芯片具有功耗和體積較小、靈敏度相對較高的優(yōu)點，在一些應用場合中可以取代磁通門設備。但是，磁阻器件在反復測量時會有較大的磁滯效應，限制了它在高性能需求場景中的應用。

本文介紹了一種可以微型化的三軸磁強計，通過高頻感應熔融快淬法制備高磁導率的巨磁阻抗(GMI)鈷基絲，并用適當?shù)耐嘶鸸に囀共牧线_到較好的磁結構狀態(tài)；采用非線性非對角驅動方式驅動材料制備巨磁阻抗(GMI)敏感元件，并設計專門的傳感器驅動電路，使敏感元件運行在最佳的工作條件下。采用相敏檢波電路對傳感器信號進行濾波，使探測器獲得極高的靈敏度。使用SOI工藝對器件進行集成化，該工藝芯片具有速度高、功耗低、抗輻照特性好、集成密度高、工作溫度范圍大、工藝成本低等優(yōu)點。最后，芯片采用QFN封裝，實現(xiàn)了體積小、質量小、低功耗的目標。

1 磁強計設計思路

1.1 敏感元件制備

本文研究的傳感器采用了Co基非晶絲，用非線性非對角化方式產生GMI效應，相對于其他方式具有獨特的優(yōu)點。根據(jù)驅動電流產生的交變磁場對敏感元件的磁化程度，GMI傳感器可分為線性和非線性方式。其中，非線性方式由于可以消除信號對外磁場的磁滯而備受關注。根據(jù)信號探測方式，GMI傳感器又可分為對角化(從敏感元件兩端拾取)和非對角化(利用繞在元件上的線圈拾取)[5]兩種。非線性非對角化探測方式是驅動電流通過敏感元件的兩端，從繞在元件上的線圈拾取信號，不僅減少了相互干擾，而且線圈本身可以通直流而產生偏磁場，使敏感元件工作在最敏感區(qū)域，可以靈敏地測量弱磁場[6]。圖1是傳感器示意圖，傳感器包括一個敏感元件，一個交流電源，一個繞在敏感元件上的線圈，線圈并聯(lián)一個電容共同構成信號拾取電路。

圖1 敏感元件示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensitive elements

傳感器輸出信號如下。其中，Vφ為線圈中得到的信號，根據(jù)法拉第電磁感應定律，有

(1)

(2)

設f=2r/d，變換積分變量，可得

(3)

mφ=Mφ/M=cosθ,mz=Mz/M=sinθ
hφ(r,t)=Hφ(r,t)/Ha,he=He/Ha

(4)

其中：N為線圈匝數(shù)，ω為通過材料絲的驅動電流的角頻率,I0為驅動電流的幅值,d是玻璃包裹絲的直徑，r是指絲內部的某一點距離玻璃包裹絲中心軸的垂直距離。Hφ(r,t)是用來描述絲中驅動場在空間和時間中分布的物理量。M是絲的飽和磁化強度，Mφ是絲的環(huán)向磁化強度，Mz是絲的軸向磁化強度，Ha是玻璃包裹絲的環(huán)向各向異性場。θ是磁化矢量和絲環(huán)向易磁化方向軸的夾角，He是沿軸向的外加直流磁場。其中，mφ是ω和t的函數(shù)。由式(4)可知，傳感器的輸出信號是由he、I0、ω、t幾個變量決定的，也就是說傳感器的輸出信號是由驅動信號和外磁場決定的。當驅動信號確定以后，傳感器的輸出信號便和外磁場一一對應。

1.2 相敏檢波電路設計

采用圖2所示的電路框圖，實現(xiàn)信號的拾取、相敏檢波，反饋主要進一步提高靈敏度和溫度可靠性。偏置和反饋線圈的目的是讓探頭工作在最敏感區(qū)域，提高靈敏度。在基于GMI效應的弱磁磁強計研發(fā)方面，采用的先進技術包括：(1)二次諧波；(2)諧振；(3)相敏檢波；(4)負反饋。這4種技術均有利于靈敏度和線性度的提高，技術(4)有利于溫度特性和線性度的提高。

圖2 電路設計框圖Fig.2 Circuit design block diagram

1.3 微型三軸磁強計電路集成化

將芯片劃分為低溫度系數(shù)恒流源、高性能運放、高頻振蕩器、數(shù)字斬波器、有源濾波器、直流放大器等幾個子功能模塊。采用SOI工藝將電路各部分進行集成化。電路原理圖如圖3所示。由于研制的GMI傳感器敏感元件工作在交流條件下，加之元件本身并非純電阻電路，而且在外磁場的變化下其阻抗還會發(fā)生一定的變化，因此就需要一套專門的驅動電路。驅動信號是正弦信號，該系統(tǒng)可以非常方便地改變驅動信號的大小和頻率，來適應敏感元件阻抗的變化，使其一直工作在最佳的工作狀態(tài)下。模擬信號處理電路通過振蕩電路產生的方波信號經(jīng)過兩次分頻電路，分別分出了一個四分頻和一個二分頻信號，四分頻信號通過驅動系統(tǒng)調制成同頻率同相位的正弦波，以驅動敏感元件，調整合適的工作條件，使得敏感元件產生二次諧波。之后，該信號就可以被與由二分頻產生的信號進行比較。由于二分頻的信號和驅動信號是同相位的，所以它和二次諧波信號也是同一相位的。通過二分頻的信號來控制電子開關，便可以對傳感器的信號進行相敏檢波，可以鎖定信號中某個相位的信號進行分析，大大提高傳感器的信號識別力和靈敏度。

圖3 電路原理圖Fig.3 The circuit principle diagram

在此電路設計的基礎上，采用SOI工藝對傳感器電路進行集成化。芯片的封裝采用24腳QFN封裝，如圖4左所示。3塊芯片敏感方向按照正交方式排布安裝構成探測器,封裝后的探測器大小如圖4右所示。

圖4 芯片封裝和探測器Fig.4 Chip Packaging and Detector

2 試驗結果

2.1 磁場動態(tài)響應測試

對傳感器的磁場動態(tài)響應進行測量，方法為將被測微型磁強計置于零磁空間標準線圈內的測試臺上并調整水平，為線圈加以0.5Gs的磁場，逐步調整傳感器敏感軸方向。當傳感器輸出電壓為最大時，敏感軸與線圈磁場方向一致，然后給線圈分別加以不同電流，相對磁場強度為0、±0.1Gs、±0.2Gs、±0.3Gs、±0.4Gs、±0.45Gs、±0.46Gs、±0.47Gs、±0.48Gs、±0.49Gs、±0.5Gs，記錄磁強計敏感軸方向的輸出電壓。如圖5所示，為磁強計敏感軸方向在±0.5Gs磁場環(huán)境下的電壓實現(xiàn)響應輸出，可以看到在磁場強度為±0.5Gs時，敏感器的輸出電壓約為0～5V。測量結果表明，該傳感器的輸出電壓和外磁場在±0.5Gs范圍內為一一對應的線性關系，可以在地磁場范圍內正常工作(地磁場強度<0.5Gs)。

圖5 敏感軸磁場動態(tài)響應Fig.5 Dynamic response of sensitive axis to magnetic field

2.2 噪聲測試

(a) 傳感器輸出噪聲

(b) 噪聲紋波頻譜密度圖6 傳感器輸出信號噪聲Fig.6 Sensor Output Signal Noise

3 結 論