一種微小型磁矢量傳感器設計

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計。該傳感器的檢測單元包括兩個磁敏感單元和一套信號處理系統。磁敏感單元采用MEMS技術制作，具有體積小、集成度高等特點。信號處理系統通過對兩個磁敏感單元對空間地磁信號進行采集，并通過對磁敏感單元的信號數據處理，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。對采用MEMS技術制作的微小型磁矢量傳感器進行性能測試，測試結果表明：該傳感器的靈敏度優于100pT/Hz1/2，線性誤差≤0.1%。

關鍵詞：微小型磁矢量傳感器;設計;信號處理

中圖分類號：TN911.7? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，還沒有一種水下導航方式能夠與空中的全球定位系統GPS媲美。水下導航技術是發展潛艇導航技術及自主水下航行器AUV的關鍵所在。利用地球物理特征進行無源導航的理論和方法在國內外得到了廣泛研究[1]。地磁水下導航具有隱蔽性好、即開即用、無漂移等優點，可彌補慣性導航長期誤差累計的不足[2]。但由于地磁場非常微弱，隨著所處空間位置的變化，其變化量也是相當微小，不僅不易測量，而且很容易受到背景噪聲的干擾[3-5]。地磁水下導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中區分出水下導航所需的精確地磁場信號，是一個關鍵問題，也是限制地磁水下導航技術最終投入使用的瓶頸因素之一。

1 總體設計原理

微小型磁矢量傳感器由兩個磁敏感單元和一套信號處理系統組成。兩個高分辨率的磁敏感單元構成差模敏感結構，并通過這兩個放置在不同位置的磁敏感單元進行所處空間地磁信號的采集工作，采用兩路信號差分處理的方法對實時測量的地磁數據進行噪聲濾除。為了實現傳感器的小型化，采用MEMS工藝和立體封裝方式進行磁敏感單元的制作和三維結構的一體化封裝，如圖1所示。

兩個放置在不同位置的磁敏感單元產生的感應磁場有較大不同，即感應系數矩陣K1和K2存在差異性。將地磁場視為均勻磁場，真實地磁場和測量磁場的關系可用式（1）表述：

式中，HG為真實地磁場，A為常數，H1M、H2M為兩個敏感單元的測量值，K1和K2為兩個磁敏感單元的感應系數矩陣，H1S和 H2S為兩個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，可以在磁場變化平緩的環境下進行機動測量后，采用Kalman濾波法、非線性最小二乘法等計算擬合得出。H1M、H2M和A分別由矢量傳感器測量標定獲得。通過差分模處理對環境干擾磁場進行補償，可抑制外界雜散磁場干擾，有效提高測量靈敏度。

2 磁敏感單元芯片設計

磁敏感單元的芯片從下到上分為四層結構：偏置磁場帶層、置位/復位電流帶層、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，包括鏡像對稱設置的兩組磁阻，每組磁阻包括兩個呈矩形方波結構的薄膜磁阻條，磁阻條的材質為坡莫合金。磁阻條線寬為1.6μm，厚度為0.8μm，電阻繞線總長度為1430μm。

第三層是置位/復位電流帶層，包含一個盤旋設置呈矩形螺旋結構的平面繞線，材質為鋁，其長邊與偏置磁場帶層的長邊相互垂直。平面繞線線寬為15μm，厚度為1μm，電阻繞線總長度為1.4×104μm。

第四層是偏置磁場帶層，包括兩個平行設置的平面繞線，材質為鋁。每個平面繞線盤旋設置，使其呈矩形螺旋結構，兩個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，電阻繞線總長度為3.1×104μm。

坡莫合金薄膜的電阻率與磁化強度M和電流方向I的夾角θ有關，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點和b點的坡莫合金薄膜電阻率可用式（2）和式（3）表示：

3 傳感器信號處理設計

傳感器信號處理系統的設計如圖3所示。兩個信號處理通道用于測量兩個磁敏感單元的三維磁場。激勵電源用于為敏感部件電橋提供穩定電源，并提供調制信號激勵。模擬電路將測量的電橋信號進行放大形成模擬電壓信號，通過兩路16位AD轉換器形成數字信號，傳遞給微處理器。微處理器通過內部的信號處理程序，讀取儲存在存儲器內的參數對傳感器的非線性、正交度進行差分噪聲補償等修正操作。通過計算和試驗，修正存儲器內的參數，優化差分噪聲補償等設計，保證得到的數字信號滿足要求。

4 設計樣品的性能測試

對設計的磁敏感樣品進行了靈敏度和線性度測試。在±1Gauss的范圍內，測試了5個測試點，并計算了其線性度為0.1%，如表1所示。在0.5Gauss點連續測試10min，每分鐘采樣20次數據對數據進行FFT變換，得到（縱坐標，nT/Hz1/2）相對頻率（橫坐標，Hz）的噪聲譜密度分布，計算1Hz頻點下的傳感器靈敏度優于0.1nT/Hz1/2（即100pT/Hz1/2），如圖4所示。

5 結束語

本文設計并制作了一種微小型磁矢量傳感器樣品。通過對傳感器樣品的測試，表明該傳感器在地磁場環境下，具有較高的測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構和數字補償修正等方式，有效降低了環境噪聲的影響，同時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，可為水下小型設備磁導航系統的開發做出了重要的技術積累。

參考文獻：

[1]Goldenberg F.Gemagnetic navigation beyond the magnetic compass[J].Position Location and Navigation Symposium，2006：684-694.

[2]高社生，李華星.INS/SAR組合導航定位技術與應用[M].西安：西北工業出版社，2004：33-42.

[3]黃珍雄，羅孝文，關云蘭，等.海洋地磁導航區域適配性分析[J].江西科學，2013，31（1）：35-38.

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