CN111624525B - 一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，包括绝缘基底、磁通电调控单元、变轨软磁块和至少四个磁测量单元；磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，磁通电调控单元以磁测量单元的对称中心点为中心放置在绝缘基底上，变轨软磁块以磁测量单元的对称中心点为中心放置在磁测量单元上。本发明具有高分辨力、高正交性、小体积、低功耗等优点。

Description

一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器

技术领域

本发明涉及磁电耦合、磁传感器技术等领域，具体涉及一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器。

背景技术

高性能三轴磁传感器能够直接测量磁场的三分量信息，广泛应用于目标探测、地磁导航、空间环境监测等事关国家安全的重点技术领域。随着微弱磁场探测能力、检测***体积等要求的不断提高，高性能三轴磁传感器技术呈现出高分辨力、高灵敏度、小型化、低功耗的发展趋势。

三轴磁传感器按实现方式可分为组装式三轴磁传感器和一体化三轴磁传感器。组装式三轴磁传感器主要有三个单轴磁传感器组合、一个单轴磁传感器一个两轴磁传感器组合两种形式，但无论哪一种组合形式，组装式三轴磁传感器的三轴正交性都依赖于组装精度，使其三轴正交性的提升十分困难。一体化三轴磁传感器则具有更好的正交性。近年来，研究人员提出了多种一体化三轴磁传感器方案：1、采用CMOS工艺制作基于霍尔效应的三轴磁传感器，可以保证三轴之间的正交性，但分辨力较低，仅有约21μT；2、利用洛伦兹力产生位移引起电容变化来实现三轴磁场测量，能够保证正交性、小型化、低功耗，但分辨力不高，Z向磁场分辨力约为70nT；3、将测量X、Y向磁场的磁电阻传感器制作在基底平面上，将测量Z向磁场的磁电阻传感器制作在基底的斜面上，实现一体化制作(专利号：US7564237、US7126330)，但斜面上磁电阻传感器制作难度大，难以保证与平面内磁电阻传感器的一致性；4、利用NiFe板将Z向磁场分量扭曲至平面测量，实现磁场三分量测量，但扭曲后磁场分量较小，Z向磁场分辨力低。

由以上分析可知，一体化三轴磁传感器相比组装式三轴磁传感器具有更好的正交性，但在一体化三轴磁传感器制作中，难点在于Z向磁场测量。基于霍尔效应和洛伦兹力的一体化三轴磁传感器能够达到的分辨力都比较低，而磁电阻元件能够实现较高的灵敏度和分辨力，更有希望满足高性能三轴磁传感器的高分辨力、高灵敏度、小型化、低功耗要求。但磁电阻元件只能敏感平面内磁场，利用磁电阻元件实现Z向磁场测量主要是通过将磁电阻传感器制作在基底的斜面上、利用软磁材料将Z向磁场转化到平面测量这两种方式来实现，但前者难以保证斜面上传感器与平面传感器的一致性，后者由于磁力线转向效率不高，三轴正交性提升有限。

因此，磁电阻元件虽然凭借较高的灵敏度和分辨力成为一体式三轴磁传感器的重要发展趋势，但Z向磁场的测量问题仍亟待解决。除此之外，磁电阻元件还存在很大的1/f噪声。目前，抑制磁电阻器件1/f噪声主要是通过将待测低频磁场信号调制为高频磁场信号，再将得到的高频磁场信号经高通滤波器滤除1/f噪声：1、Weizhong Wang等人利用铁磁材料温度在居里温度附近周期变化时发生铁磁相与顺磁相之间周期转化的特点，对被测磁场进行调制，但存在热稳定性、漂移等诸多问题，难以投入应用；2、NVE公司的A.Jander等人利用线圈施加外磁场对磁力线聚集器周期性饱和来进行斩波调制，但通过线圈施加的外磁场引入了额外的噪声，反而使得噪声增大；3、葡萄牙INESC的A.Guede等人采用压电驱动沉积有软磁材料的悬臂梁，使其在磁电阻敏感单元的正上方上下振动对磁场进行调制，但由于采用微机械振动的方式，难以同时兼顾高振动频率与大振幅，实现的调制效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高分辨力、高正交性的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，包括绝缘基底、磁通电调控单元、变轨软磁块和至少四个磁测量单元；

所述磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，所述磁通电调控单元以磁测量单元的对称中心点为中心放置在绝缘基底上，所述变轨软磁块以磁测量单元的对称中心点为中心放置在磁测量单元上；

所述每个磁测量单元包括磁力线聚集器、补偿线圈和磁敏感单元，所述补偿线圈缠绕在磁力线聚集器上，所述磁力线聚集器包括间隔设置的两聚集器单元，所述磁敏感单元的两敏感磁电阻位于两聚集器单元之间的中心间隙处；

磁通电调控单元包括压电驱动层、谐振结构和软磁薄膜，所述谐振结构包括固支梁和支撑固支梁的锚点，锚点支撑固定在绝缘基底上，所述压电驱动层位于固支梁的上表面，所述软磁薄膜位于固支梁的下表面且位于中心间隙上方。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述绝缘基底为表面沉积有绝缘层的硅基底。

所述磁敏感单元包括两参考磁电阻，所述参考磁电阻位于聚集器单元下方且靠近中心间隙一侧设置，两敏感磁电阻和两参考磁电阻构成惠斯通电桥。

所述磁力线聚集器的中心间隙的中心线与磁力线聚集器中心轴线呈45°，两敏感磁电阻磁通量方向与中心间隙的中心线垂直，所述参考磁电阻磁通量的方向与磁力线聚集器中心轴线平行。

关于对称中心点互相对称设置的两所述磁力线聚集器的中心间隙的中心线平行设置。

所述压电驱动层自下而上依次设置有顶电极、压电基底和底电极。

所述变轨软磁块包括软磁块主体和软磁块支撑部，所述软磁块主体通过软磁块支撑部跨设于磁测量单元，所述软磁块支撑部位于靠近对称中心点的聚集器单元上方。

所述磁敏感单元的敏感磁电阻与参考磁电阻采用GMR或TMR制备而成。

所述补偿线圈为分别分布于磁力线聚集器上表面和下表面的顶层线圈和底层线圈环绕而成的环形线圈结构。

所述软磁薄膜采用FeSiBPC或FeGaB制备而成。

所述磁力线聚集器通过高导磁膜生长在绝缘基底上制备而成，优选的，所述磁力线聚集器采用的材料为铁钴合金或镍铁合金。

所述谐振结构通过锚点支撑固定在绝缘基底上。

所述软磁薄膜通过磁控溅射的方式直接生长在谐振结构的下表面。

所述压电驱动层的顶电极为金属层，优选的，所述金属层采用的材料为Cr、Mo、Au中的一种或多种。

所述压电驱动层的压电基底采用压电材料制备而成，优选的，所述压电材料为AlN。

所述压电驱动层的底电极为直接生长在谐振结构上的金属层，优选的，所述金属层采用的材料为Cr、Mo中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，利用压电驱动层和谐振结构谐振使结构应变发生变化，从而使软磁薄膜的磁导率发生变化，利用软磁薄膜应力调控来抑制低频1/f噪声，实现对磁力线聚集器栖息处敏感体的磁场的调控，不需要大的振幅，大大降低了工艺难度。可以同时实现大应变与高振动频率，提高调制效率，大幅提升三轴磁传感器的分辨力。且谐振结构利用了硅机械阻尼低的特性，降低了迟滞特性以及所需的驱动电压，提升了整体的品质因数，可实现性更好。

2、本发明的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，采用变轨软磁块和磁测量单元将Z向磁场转向至平面并通过四个磁测量单元测量，实现Z向磁场的高效率变轨，完成三轴磁场的聚集放大与平面化测量，实现微弱三轴磁场信号高分辨力测量，通过将Z向磁场变轨转化到平面测量，可以实现面内高正交性测量，再通过解算得到Z向磁场，从而实现三轴高正交性，具有很高的正交性与一体化集成度。

3、本发明的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，具有高分辨力、高正交性、小体积、低功耗等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图。

图2为本发明实施例不包含变轨软磁块的主视结构示意图。

图3为本发明实施例不包含变轨软磁块和压电驱动层的主视结构示意图。

图4为本发明实施例中磁测量单元与变轨软磁块的主视结构示意图。

图5为图1的A-A剖视结构示意图。

图6为图2的B-B剖视结构示意图。

图7为图4的C-C剖视结构示意图。

图8为本发明实施例的磁测量单元结构示意图。

图9为本发明实施例的磁场调制原理示意图。

图例说明：1、绝缘基底；2、磁测量单元；21、磁力线聚集器；211、中心间隙；212、聚集器单元；22、补偿线圈；221、顶层线圈；222、底层线圈；23、磁敏感单元；231、敏感磁电阻；232、参考磁电阻；3、磁通电调控单元；31、压电驱动层；311、顶电极；312、压电基底；313、底电极；32、谐振结构；321、锚点；322、固支梁；33、软磁薄膜；4、变轨软磁块；41、软磁块主体；42、软磁块支撑部。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

如图1-8所示，本发明的一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，包括绝缘基底1、磁通电调控单元3、变轨软磁块4和至少四个磁测量单元2；磁测量单元2呈中心对称布置于绝缘基底1的表面，磁通电调控单元3以磁测量单元2的对称中心点为中心放置在绝缘基底1上，变轨软磁块4以磁测量单元2的对称中心点为中心放置在磁测量单元2上；每个磁测量单元2包括磁力线聚集器21、补偿线圈22和磁敏感单元23，补偿线圈22缠绕在磁力线聚集器21上，磁力线聚集器21包括间隔设置的两聚集器单元212，磁敏感单元23的两敏感磁电阻231位于两聚集器单元212之间的中心间隙211处；磁通电调控单元3包括压电驱动层31、谐振结构32和软磁薄膜33，谐振结构32包括固支梁322和支撑固支梁322的锚点321，锚点321支撑固定在绝缘基底1上，压电驱动层31位于固支梁322的上表面，软磁薄膜33位于固支梁322的下表面且位于中心间隙211上方。

绝缘基底1为表面沉积有绝缘层的硅基底。

磁敏感单元23包括两参考磁电阻232，参考磁电阻232位于聚集器单元212下方且靠近中心间隙211一侧设置，两敏感磁电阻231和两参考磁电阻232构成惠斯通电桥。

磁力线聚集器21的中心间隙211的中心线与磁力线聚集器21中心轴线呈45°，两敏感磁电阻231磁通量方向与中心间隙211的中心线垂直，参考磁电阻232磁通量的方向与磁力线聚集器21中心轴线平行。

关于对称中心点互相对称的两磁力线聚集器21的中心间隙211的中心线平行设置。本实施例中，关于对称中心点互相对称的两磁力线聚集器21的中心间隙211的中心线与另外两个关于对称中心点互相对称的两磁力线聚集器21的中心间隙211的中心线垂直。

压电驱动层31自下而上依次设置有顶电极311、压电基底312和底电极313。

变轨软磁块4包括软磁块主体41和软磁块支撑部42，软磁块主体41通过软磁块支撑部42跨设于磁测量单元2，软磁块支撑部42位于靠近对称中心点的聚集器单元212上方。

磁敏感单元23的敏感磁电阻231与参考磁电阻232采用GMR或TMR制备而成。

补偿线圈22为分别分布于磁力线聚集器21上表面和下表面的顶层线圈221和底层线圈222环绕而成的环形线圈结构。

软磁薄膜33采用FeSiBPC或FeGaB制备而成。

如图1、图5所示，本实施例的利用应力调控磁噪声的一体化三轴磁传感器包括绝缘基底1、四个磁测量单元2(磁测量单元2#1～磁测量单元2#4)、磁通电调控单元3和变轨软磁块4，四个磁测量单元2(磁测量单元2#1～磁测量单元2#4)呈中心对称布置于绝缘基底1的表面，磁通电调控单元3以四个磁测量单元2的对称中心点为中心放置在绝缘基底1上，变轨软磁块4以四个磁测量单元2的对称中心点为中心放置在四个磁测量单元2上，变轨软磁块4的正下方放置在四个磁测量单元2上，采用谐振的方式改***磁薄膜33磁导率实现磁通调控，并采用变轨软磁块4和四个中心对称的磁测量单元2实现Z向磁场的高效率变轨，实现三轴磁场的聚集放大和平面化测量，能够有效抑制低频1/f噪声，提高三轴磁场正角度和分辨力，增强稳定性，提高Q值。

本实施例中，绝缘基底1为表面通过气相化学反应沉积一层绝缘层的本征硅。

如图4、图7、图8所示，磁测量单元2包括磁力线聚集器21、补偿线圈22和磁敏感单元23，所述磁力线聚集器21的中心设有中心间隙211，补偿线圈22绕设在磁力线聚集器21上，分布在中心间隙211两侧，中心间隙211内磁场在磁力线聚集器21的作用下被放大，磁敏感单元23由两个敏感磁电阻231和两个参考磁电阻232构成惠斯通电桥，两个敏感磁电阻231位于中心间隙211内，放置在绝缘基底1上，敏感中心间隙211内的磁场信号，其电阻值变为R₀+ΔR；两个参考磁电阻232位于磁力线聚集器21下方，不敏感磁场，其电阻值为R₀不发生变化；两个敏感磁电阻231和两个参考磁电阻232构成半桥敏感的惠斯通电桥。在电源电压V_c的作用下，单个磁敏感单元23的惠斯通电桥的输出V_o为：

式(1)中，V_o表示单个磁敏感单元23的输出，R₀表示参考磁电阻232的电阻值，R₀+ΔR表示敏感磁电阻231的电阻值，ΔR为敏感磁电阻231的感应电阻，V_c表示单个磁敏感单元2的电源电压。

本实施例中，磁力线聚集器21通过高导磁膜生长在绝缘基底1上制成，优选的材料为铁钴合金或镍铁合金，可采用电镀、磁控溅射等方法制备。

本实施例中，磁力线聚集器21中心间隙211与磁力线聚集器21中轴呈45°角布置，且四个磁测量单元2的中心间隙211方向相同，使四个磁敏感单元23的敏感磁电阻231敏感方向相同且为磁通量最大的方向，消除了敏感磁电阻231之间的相互影响，提高了敏感磁电阻231的灵敏度。

本实施例中，磁敏感单元23的敏感磁电阻231和参考磁电阻232均为TMR。

本实施例中，补偿线圈22由分布在磁力线聚集器21上表面的顶层线圈221和分布在磁力线聚集器21下表面的底层线圈222形成环形线圈结构。

如图2、图3、图6所示，磁通电调控单元3包括压电驱动层31、谐振结构32和软磁薄膜33，压电驱动层31由顶电极311、压电基底312和底电极313组成驱动电极。压电驱动层31直接生长在谐振结构32上，压电基底312采用氮化铝AlN制成，底电极313采用钼制成，有利于AlN的c轴择优取向生长，顶电极311采用金制成。本实施例中，压电驱动层31可采用磁控溅射的方式制备。谐振结构32采用硅制成，大幅提升磁通电调控单元3的机械品质因数。

如图3所示，谐振结构32采用一种双W型结构，相对于传统的长方形梁(方框结构)，能够在相同品质因数下实现更高的应变，中心梁通过四个伸出梁连接到锚点321(呈45度角布置的与锚点321相连的4个为伸出梁，与伸出梁连接的部分为中心梁(漏斗形部分))，能够大幅提高谐振结构32在软磁薄膜33所在位置处的应变。

如图3所示，谐振结构32通过锚点321支撑固定在绝缘基底1上，用于连接磁通电调控单元3和绝缘基底1。本实施例中，锚点321采用金属键合的方式进行固定，优选地采用金铟键合的方式。

本实施例中，软磁薄膜33为高磁致伸缩系数高导磁膜，高磁致伸缩系数有利于提高软磁薄膜33的调控能力，高磁导率有利于对间隙磁场进行调制，优选地采用镍铁合金或者铁钴合金制成，可采用磁控溅射的方式制备。

本实施例中，磁通电调控单元3的工作原理如下：

通过压电驱动层31的顶电极311和底电极313在压电驱动层31加载交流电压信号V＝V_Esin(2πf_Et)，在压电基底312中产生交流驱动电场E＝E_Esin(2πf_Et)，由于压电基底312的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变ε＝ε_Esin(2πf_Et)，压电基底312的周期性应变传递至谐振结构32使谐振结构32工作在谐振状态并产生周期性的应变ε'＝ε'_Esin(2πf_Et)，谐振结构32的周期性应变传递至软磁薄膜33并在软磁薄膜33上产生周期性的应力σ＝Yε'＝Yε'_Esin(2πf_Et)，Y为软磁薄膜33的杨氏模量，使得软磁薄膜33的磁导率周期性变化，进而使软磁薄膜33与磁力线聚集器21和中心间隙211形成的磁路发生周期性变化，中心间隙211中的低频被测磁场被调制为高频磁场。磁测量单元2输出混合有低频噪声的高频磁场信号，经高通滤波器滤除低频噪声，即可得到低频1/f噪声抑制后的被测磁场信号。

如图9所示，中心间隙211中的低频被测磁场被调制为高频磁场的原理如下：

磁通经磁力线聚集器21聚集，分别从软磁薄膜33和中心间隙211两路通过流向另一端的磁力线聚集器21。软磁薄膜33磁导率的变化不会影响经过磁力线聚集器21的磁通量，但会影响经过软磁薄膜33和中心间隙211的磁通量。如图9(a)所示，当软磁薄膜33的磁导率大时，磁通主要通过软磁薄膜33流向另一端的磁力线聚集器21，少量通过中心间隙211流向另一端的磁力线聚集器21，使得中心间隙211处的被测磁场较小；如图9(b)所示，当软磁薄膜33的磁导率小时，磁通主要通过中心间隙211流向另一端的磁力线聚集器21，少量通过软磁薄膜33流向另一端的磁力线聚集器21，使得中心间隙211处的被测磁场较大。当软磁薄膜33的磁导率发生周期性变化时，中心间隙211处的被测磁场大小也发生周期性变化，被调制为高频信号。

如图4、图7所示，变轨软磁块4由高导磁软磁材料制成，主体块状结构悬于磁通电调控单元3的上方，底部的四个脚通过环氧胶键合固定在磁力线聚集器21和补偿线圈22所在的磁测量单元2的上表面，大幅提升Z向磁场的变轨效率。

本实施例中，变轨软磁块4和四个磁测量单元2(磁测量单元2#1～磁测量单元2#4)共同构成三轴磁传感器的基本结构，三轴磁场测量与解耦原理如下：

四个磁测量单元2(磁测量单元2#1～磁测量单元2#4)测得的磁场分别为：

式(2)中，B₁～B₄分别表示四个磁测量单元2(磁测量单元2#1～磁测量单元2#4)所测得的磁场，G为磁力线聚集器的磁场放大倍数，B_ext-x、B_ext-y、和B_ext-z分别代表被测磁场在x、y、z三个方向的分量，k为变轨系数，其数值由变轨软磁块4和四个磁测量单元2共同决定，表示Z向磁场转向为平面磁场的效率。

解耦计算得到被测磁场在x、y、z三个方向的分量计算公式为：

采用变轨软磁块4和四个磁测量单元2实现Z向磁场高效率变轨，实现三轴磁场的聚集放大与平面化测量，有效提高三轴正交度以及Z向磁场的分辨力。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，其特征在于：包括绝缘基底(1)、磁通电调控单元(3)、变轨软磁块(4)和至少四个磁测量单元(2)；

所述磁测量单元(2)呈中心对称布置于绝缘基底(1)的表面，所述磁通电调控单元(3)以磁测量单元(2)的对称中心点为中心放置在绝缘基底(1)上，所述变轨软磁块(4)以磁测量单元(2)的对称中心点为中心放置在磁测量单元(2)上；

所述每个磁测量单元(2)包括磁力线聚集器(21)、补偿线圈(22)和磁敏感单元(23)，所述补偿线圈(22)缠绕在磁力线聚集器(21)上，所述磁力线聚集器(21)包括间隔设置的两聚集器单元(212)，所述磁敏感单元(23)的两敏感磁电阻(231)位于两聚集器单元(212)之间的中心间隙(211)处；

磁通电调控单元(3)包括压电驱动层(31)、谐振结构(32)和软磁薄膜(33)，所述谐振结构(32)包括固支梁(322)和支撑固支梁(322)的锚点(321)，锚点(321)支撑固定在绝缘基底(1)上，所述谐振结构(32)为双W结构，所述固支梁(322)包括中心梁和伸出梁，所述中心梁为漏斗形状，所述伸出梁与中心梁呈45°角布置并与锚点(321)连接，所述压电驱动层(31)位于固支梁(322)的上表面，所述软磁薄膜(33)位于伸出梁的下表面且位于中心间隙(211)上方。

2.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述绝缘基底(1)为表面沉积有绝缘层的硅基底。

3.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述磁敏感单元(23)包括两参考磁电阻(232)，所述参考磁电阻(232)位于聚集器单元(212)下方且靠近中心间隙(211)一侧设置，两敏感磁电阻(231)和两参考磁电阻(232)构成惠斯通电桥。

4.根据权利要求3所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述磁力线聚集器(21)的中心间隙(211)的中心线与磁力线聚集器(21)中心轴线呈45°，两敏感磁电阻(231)磁通量方向与中心间隙(211)的中心线垂直，所述参考磁电阻(232)磁通量的方向与磁力线聚集器(21)中心轴线平行。

5.根据权利要求4所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：关于对称中心点互相对称设置的两所述磁力线聚集器(21)的中心间隙(211)的中心线平行设置。

6.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述压电驱动层(31)自下而上依次设置有顶电极(311)、压电基底(312)和底电极(313)。

7.根据权利要求1的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述变轨软磁块(4)包括软磁块主体(41)和软磁块支撑部(42)，所述软磁块主体(41)通过软磁块支撑部(42)跨设于磁测量单元(2)，所述软磁块支撑部(42)位于靠近对称中心点的聚集器单元(212)上方。

8.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述磁敏感单元(23)的敏感磁电阻(231)与参考磁电阻(232)采用GMR或TMR制备而成。

9.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述补偿线圈(22)为分别分布于磁力线聚集器(21)上表面和下表面的顶层线圈(221)和底层线圈(222)环绕而成的环形线圈结构。

10.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述软磁薄膜(33)采用FeSiBPC或FeGaB制备而成。

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