巨磁阻抗微型磁強計技術(shù)研究*

王江濤，潘海林，張 清

(華東師范大學(xué) 計算機科學(xué)與軟件工程學(xué)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(lǐng)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(guān)于促進衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干意見》來看，可以預(yù)估我國衛(wèi)星產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(yù)計今后幾年內(nèi)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(yù)測，2018年到2023年，全球?qū)l(fā)射質(zhì)量在1～50kg的微納衛(wèi)星近2400顆；同時NSR也預(yù)測，在未來6～7年，全球?qū)l(fā)射約2200顆質(zhì)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(dǎo)航控制載荷提出了高性能、低質(zhì)量、低功耗的要求。多種技術(shù)可以作為星載導(dǎo)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(shù)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(shù)來看，傳統(tǒng)的磁通門測量設(shè)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(yīng)用[3]。但是，磁通門設(shè)備由于受到結(jié)構(gòu)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(yīng)器件可以實現(xiàn)較小的功耗和體積。但是，霍爾效應(yīng)器件的靈敏度較低，無法滿足高精度的導(dǎo)航需求。近年來，也有采用磁阻芯片用于衛(wèi)星導(dǎo)航的報導(dǎo)[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(yīng)用場合中可以取代磁通門設(shè)備。但是，磁阻器件在反復(fù)測量時會有較大的磁滯效應(yīng)，限制了它在高性能需求場景中的應(yīng)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(yīng)熔融快淬法制備高磁導(dǎo)率的巨磁阻抗(GMI)鈷基絲，并用適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に囀共牧线_到較好的磁結(jié)構(gòu)狀態(tài)；采用非線性非對角驅(qū)動方式驅(qū)動材料制備巨磁阻抗(GMI)敏感元件，并設(shè)計專門的傳感器驅(qū)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(zhì)量小、低功耗的目標(biāo)。

1 磁強計設(shè)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(chǎn)生GMI效應(yīng)，相對于其他方式具有獨特的優(yōu)點。根據(jù)驅(qū)動電流產(chǎn)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(guān)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(qū)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(chǎn)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(gòu)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(yīng)定律，有

(1)

(2)

設(shè)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(qū)動電流的角頻率,I0為驅(qū)動電流的幅值,d是玻璃包裹絲的直徑，r是指絲內(nèi)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(qū)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(qū)動信號和外磁場決定的。當(dāng)驅(qū)動信號確定以后，傳感器的輸出信號便和外磁場一一對應(yīng)。

1.2 相敏檢波電路設(shè)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(yīng)的弱磁磁強計研發(fā)方面，采用的先進技術(shù)包括：(1)二次諧波；(2)諧振；(3)相敏檢波；(4)負(fù)反饋。這4種技術(shù)均有利于靈敏度和線性度的提高，技術(shù)(4)有利于溫度特性和線性度的提高。

圖2 電路設(shè)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?jǐn)夭ㄆ?、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(qū)動電路。驅(qū)動信號是正弦信號，該系統(tǒng)可以非常方便地改變驅(qū)動信號的大小和頻率，來適應(yīng)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(chǎn)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(qū)動系統(tǒng)調(diào)制成同頻率同相位的正弦波，以驅(qū)動敏感元件，調(diào)整合適的工作條件，使得敏感元件產(chǎn)生二次諧波。之后，該信號就可以被與由二分頻產(chǎn)生的信號進行比較。由于二分頻的信號和驅(qū)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(guān)，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(shè)計的基礎(chǔ)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(gòu)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(jié)果

2.1 磁場動態(tài)響應(yīng)測試

對傳感器的磁場動態(tài)響應(yīng)進行測量，方法為將被測微型磁強計置于零磁空間標(biāo)準(zhǔn)線圈內(nèi)的測試臺上并調(diào)整水平，為線圈加以0.5Gs的磁場，逐步調(diào)整傳感器敏感軸方向。當(dāng)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(yīng)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(jié)果表明，該傳感器的輸出電壓和外磁場在±0.5Gs范圍內(nèi)為一一對應(yīng)的線性關(guān)系，可以在地磁場范圍內(nèi)正常工作(地磁場強度<0.5Gs)。

圖5 敏感軸磁場動態(tài)響應(yīng)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(jié) 論