孫立凱 宋爾冬 徐興燁

摘? 要：文章介紹了一種微小型磁矢量傳感器設(shè)計(jì)。該傳感器的檢測(cè)單元包括兩個(gè)磁敏感單元和一套信號(hào)處理系統(tǒng)。磁敏感單元采用MEMS技術(shù)制作，具有體積小、集成度高等特點(diǎn)。信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)兩個(gè)磁敏感單元對(duì)空間地磁信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)對(duì)磁敏感單元的信號(hào)數(shù)據(jù)處理，有效地改善了傳感器的非線性和噪聲，提高了傳感器的靈敏度和線性度。對(duì)采用MEMS技術(shù)制作的微小型磁矢量傳感器進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該傳感器的靈敏度優(yōu)于100pT/Hz1/2，線性誤差≤0.1%。

關(guān)鍵詞：微小型磁矢量傳感器;設(shè)計(jì);信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：TN911.7? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0034-03

Abstract： The design of a miniature magnetic vector sensor is introduced in this paper. The detection unit of the sensor includes two magnetic sensitive units and a set of signal processing system. The magnetic sensitive unit is made by MEMS technology， which has the characteristics of small size and high integration. The signal processing system collects the space geomagnetic signal from two magnetic sensitive units， and through the signal data processing of the magnetic sensitive unit， effectively improves the nonlinearity and noise of the sensor， and improves the sensitivity and linearity of the sensor. The performance of the miniature magnetic vector sensor fabricated by MEMS technology is tested. The test results show that the sensitivity of the sensor is better than 100pT/Hz1/2， and the linear error is less than 0.1%.

Keywords： miniature magnetic vector sensor; design; signal processing

引言

目前，還沒(méi)有一種水下導(dǎo)航方式能夠與空中的全球定位系統(tǒng)GPS媲美。水下導(dǎo)航技術(shù)是發(fā)展?jié)撏?dǎo)航技術(shù)及自主水下航行器AUV的關(guān)鍵所在。利用地球物理特征進(jìn)行無(wú)源導(dǎo)航的理論和方法在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛研究[1]。地磁水下導(dǎo)航具有隱蔽性好、即開(kāi)即用、無(wú)漂移等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航長(zhǎng)期誤差累計(jì)的不足[2]。但由于地磁場(chǎng)非常微弱，隨著所處空間位置的變化，其變化量也是相當(dāng)微小，不僅不易測(cè)量，而且很容易受到背景噪聲的干擾[3-5]。地磁水下導(dǎo)航的核心器件是具有高靈敏度和背景噪聲抑制能力的磁矢量傳感器。如何從各種干擾磁場(chǎng)中區(qū)分出水下導(dǎo)航所需的精確地磁場(chǎng)信號(hào)，是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是限制地磁水下導(dǎo)航技術(shù)最終投入使用的瓶頸因素之一。

1 總體設(shè)計(jì)原理

微小型磁矢量傳感器由兩個(gè)磁敏感單元和一套信號(hào)處理系統(tǒng)組成。兩個(gè)高分辨率的磁敏感單元構(gòu)成差模敏感結(jié)構(gòu)，并通過(guò)這兩個(gè)放置在不同位置的磁敏感單元進(jìn)行所處空間地磁信號(hào)的采集工作，采用兩路信號(hào)差分處理的方法對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲濾除。為了實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化，采用MEMS工藝和立體封裝方式進(jìn)行磁敏感單元的制作和三維結(jié)構(gòu)的一體化封裝，如圖1所示。

兩個(gè)放置在不同位置的磁敏感單元產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)有較大不同，即感應(yīng)系數(shù)矩陣K1和K2存在差異性。將地磁場(chǎng)視為均勻磁場(chǎng)，真實(shí)地磁場(chǎng)和測(cè)量磁場(chǎng)的關(guān)系可用式（1）表述：

式中，HG為真實(shí)地磁場(chǎng)，A為常數(shù)，H1M、H2M為兩個(gè)敏感單元的測(cè)量值，K1和K2為兩個(gè)磁敏感單元的感應(yīng)系數(shù)矩陣，H1S和 H2S為兩個(gè)磁敏感單元所在位置的剩磁干擾噪聲。K1和K2、H1S和H2S存在明顯差異，可以在磁場(chǎng)變化平緩的環(huán)境下進(jìn)行機(jī)動(dòng)測(cè)量后，采用Kalman濾波法、非線性最小二乘法等計(jì)算擬合得出。H1M、H2M和A分別由矢量傳感器測(cè)量標(biāo)定獲得。通過(guò)差分模處理對(duì)環(huán)境干擾磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，可抑制外界雜散磁場(chǎng)干擾，有效提高測(cè)量靈敏度。

2 磁敏感單元芯片設(shè)計(jì)

磁敏感單元的芯片從下到上分為四層結(jié)構(gòu)：偏置磁場(chǎng)帶層、置位/復(fù)位電流帶層、四端惠斯通橋式磁阻層和引線層。

最上一層是引線層。引線材質(zhì)為鋁，布線方式如圖2（d）所示。

第二層是四端惠斯通橋式磁阻層，包括鏡像對(duì)稱設(shè)置的兩組磁阻，每組磁阻包括兩個(gè)呈矩形方波結(jié)構(gòu)的薄膜磁阻條，磁阻條的材質(zhì)為坡莫合金。磁阻條線寬為1.6μm，厚度為0.8μm，電阻繞線總長(zhǎng)度為1430μm。

第三層是置位/復(fù)位電流帶層，包含一個(gè)盤旋設(shè)置呈矩形螺旋結(jié)構(gòu)的平面繞線，材質(zhì)為鋁，其長(zhǎng)邊與偏置磁場(chǎng)帶層的長(zhǎng)邊相互垂直。平面繞線線寬為15μm，厚度為1μm，電阻繞線總長(zhǎng)度為1.4×104μm。

第四層是偏置磁場(chǎng)帶層，包括兩個(gè)平行設(shè)置的平面繞線，材質(zhì)為鋁。每個(gè)平面繞線盤旋設(shè)置，使其呈矩形螺旋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電阻繞線中位于外圈的線端相連。電阻繞線線寬為10μm，厚度為1μm，電阻繞線總長(zhǎng)度為3.1×104μm。

坡莫合金薄膜的電阻率與磁化強(qiáng)度M和電流方向I的夾角θ有關(guān)，其中？籽//、？籽⊥分別是電流平行于飽和磁化矢量M和垂直于飽和磁化矢量M的電阻率。圖2（d）a點(diǎn)和b點(diǎn)的坡莫合金薄膜電阻率可用式（2）和式（3）表示：

3 傳感器信號(hào)處理設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖3所示。兩個(gè)信號(hào)處理通道用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)磁敏感單元的三維磁場(chǎng)。激勵(lì)電源用于為敏感部件電橋提供穩(wěn)定電源，并提供調(diào)制信號(hào)激勵(lì)。模擬電路將測(cè)量的電橋信號(hào)進(jìn)行放大形成模擬電壓信號(hào)，通過(guò)兩路16位AD轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號(hào)，傳遞給微處理器。微處理器通過(guò)內(nèi)部的信號(hào)處理程序，讀取儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器內(nèi)的參數(shù)對(duì)傳感器的非線性、正交度進(jìn)行差分噪聲補(bǔ)償?shù)刃拚僮鳌Ｍㄟ^(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，修正存儲(chǔ)器內(nèi)的參數(shù)，優(yōu)化差分噪聲補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)，保證得到的數(shù)字信號(hào)滿足要求。

4 設(shè)計(jì)樣品的性能測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)的磁敏感樣品進(jìn)行了靈敏度和線性度測(cè)試。在±1Gauss的范圍內(nèi)，測(cè)試了5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并計(jì)算了其線性度為0.1%，如表1所示。在0.5Gauss點(diǎn)連續(xù)測(cè)試10min，每分鐘采樣20次數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到（縱坐標(biāo)，nT/Hz1/2）相對(duì)頻率（橫坐標(biāo)，Hz）的噪聲譜密度分布，計(jì)算1Hz頻點(diǎn)下的傳感器靈敏度優(yōu)于0.1nT/Hz1/2（即100pT/Hz1/2），如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一種微小型磁矢量傳感器樣品。通過(guò)對(duì)傳感器樣品的測(cè)試，表明該傳感器在地磁場(chǎng)環(huán)境下，具有較高的測(cè)量靈敏度和較好的線性精度。該微小型磁矢量傳感器采用差模敏感結(jié)構(gòu)和數(shù)字補(bǔ)償修正等方式，有效降低了環(huán)境噪聲的影響，同時(shí)改善了傳感器的靈敏度和線性度。磁敏感單元采用MEMS工藝制作，保證了磁傳感單元具有良好的一致性，從而大幅度提高了磁矢量傳感器的一致性，減少了傳感器的體積和制造成本。試驗(yàn)證明，該微小型磁矢量傳感器的研制方案是可行的，可為水下小型設(shè)備磁導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)做出了重要的技術(shù)積累。

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