基于GMR的高性能小型化磁傳感器理論與技術(shù)研究.pdf

1、一直以來，“磁”在人類歷史進(jìn)程中扮演著十分重要的角色；尤其是隨著磁電子學(xué)的興起，與地磁場相關(guān)的弱磁探測更是迎來了新的發(fā)展契機(jī)，無人機(jī)磁反潛、地磁導(dǎo)航、智能磁引信等新興弱磁應(yīng)用正急需高性能小型化的三軸磁傳感器。GMR磁傳感器因體積小、功耗低、靈敏度較高等優(yōu)勢，已成為高性能磁傳感器發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向。但目前，1/f噪聲、磁滯和三軸非正交等問題嚴(yán)重困擾著GMR磁傳感器的發(fā)展。本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，從理論探索、仿真設(shè)計(jì)、工藝制造及實(shí)

2、驗(yàn)評(píng)估等方面對(duì)新型 MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器開展了系統(tǒng)深入的研究，取得了豐富的成果。
　　1、提出了一套機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論，為克服 GMR磁傳感器的1/f噪聲、磁滯和三軸非正交等普遍性問題提供了系統(tǒng)的解決方法。
　　利用電磁場理論和有限元仿真方法深入研究了磁力線垂動(dòng)調(diào)制、變軌、磁場跟蹤補(bǔ)償、三維磁場聯(lián)合調(diào)控與傳感、機(jī)-電-磁噪聲干擾耦合等基本內(nèi)容，并由此提出了機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論。基于動(dòng)態(tài)分流思想

3、提出的垂動(dòng)調(diào)制方式通過高頻振動(dòng)的機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)直接調(diào)制被測磁場，可大幅降低1/f噪聲對(duì)GMR磁傳感器低頻探測能力的限制，與現(xiàn)有調(diào)制方式相比具有調(diào)制效率高、結(jié)構(gòu)工藝簡單等優(yōu)勢；提出的磁力線變軌調(diào)控方式通過特定軟磁微結(jié)構(gòu)將垂直的Z向磁場引導(dǎo)至X-Y平面，使GMR磁傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)三維磁場的平面化測量，從而有效提升其三軸正交性；基于磁疇運(yùn)動(dòng)規(guī)律揭示了GMR磁敏感體中磁滯產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理，并指出通過跟蹤補(bǔ)償被測磁場，可使磁敏感體內(nèi)磁化狀態(tài)基本保持

4、恒定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁滯和非線性的抑制；基于垂動(dòng)調(diào)制、變軌和磁場跟蹤補(bǔ)償?shù)却艌稣{(diào)控方式建立的三維磁場聯(lián)合調(diào)控與傳感理論能夠有效提升 GMR三軸磁傳感器的綜合性能；基于等效電路分析方法，建立了靜電干擾和機(jī)械振動(dòng)噪聲的耦合機(jī)理模型，揭示了機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)中多物理場耦合作用的主要規(guī)律，進(jìn)一步豐富和完善了上述磁場傳感理論。
　　2、提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器設(shè)計(jì)方案，并建立了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　基于機(jī)-電-

5、磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論，將GMR磁敏感體、垂動(dòng)調(diào)制膜、變軌軟磁塊、微硅壓電回旋梁以及微補(bǔ)償線圈等結(jié)構(gòu)有機(jī)融合，提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器設(shè)計(jì)方案?；谙瓤傮w再局部和對(duì)稱分層的設(shè)計(jì)思想，綜合運(yùn)用電磁和結(jié)構(gòu)有限元仿真方法，系統(tǒng)地建立了以調(diào)制效率、變軌系數(shù)、模態(tài)頻率及電磁感應(yīng)常數(shù)等為核心評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用ANSYS磁場有限元仿真方法完成了垂動(dòng)調(diào)制膜和變軌結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)制效率和變軌系數(shù)分別達(dá)到了30％和0

6、.65；利用COMSOL結(jié)構(gòu)有限元分析方法對(duì)微硅壓電回旋梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)和抗干擾能力分析，并以一階模態(tài)頻率和靜態(tài)位移為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；利用MAXWELL電磁有限元仿真方法對(duì)微補(bǔ)償線圈在軟磁微結(jié)構(gòu)作用下的勵(lì)磁規(guī)律進(jìn)行了研究，并根據(jù)電磁感應(yīng)常數(shù)、電阻及功耗等評(píng)價(jià)指標(biāo)完成了微補(bǔ)償線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　3、突破了硅基軟磁微結(jié)構(gòu)制備、微硅結(jié)構(gòu)高精加工、微補(bǔ)償線圈制備和多層微結(jié)構(gòu)低溫互聯(lián)等關(guān)鍵工藝，建立了一套較為完備的MEM

7、S/GMR三軸一體化磁傳感器探頭制造工藝體系。
　　采用磁控濺射種子層和掩模電鍍方法，實(shí)現(xiàn)了大厚度單晶硅基軟磁微結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量制備，經(jīng)表征，沉積的NiFe膜厚度大于10μm，相對(duì)磁導(dǎo)率高于1000，完全能夠滿足磁傳感器對(duì)軟磁微結(jié)構(gòu)的要求；針對(duì)常用傳遞式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)誤差較大的不足，建立了一套適用于MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器微結(jié)構(gòu)制造的基準(zhǔn)式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)；建立了以溫度、濃度和清潔度為關(guān)鍵工藝條件的單晶硅濕法腐蝕控制方法，有效提高

8、了微硅結(jié)構(gòu)的面形加工精度；基于濕法計(jì)時(shí)減薄方法，實(shí)現(xiàn)了高度控制層的厚度精確控制，同時(shí)采用降低腐蝕溫度和加強(qiáng)清洗的方法來抑制“金字塔”凸起，所得表面的粗糙度優(yōu)于30nm；采用氧等離子體清洗技術(shù)，提高了Cr/Cu/Cr復(fù)合金屬膜與玻璃基底的結(jié)合性能，并通過側(cè)蝕補(bǔ)償和腐蝕工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了大深寬比微補(bǔ)償線圈的制造；為了解決低溫條件下多層微結(jié)構(gòu)的高精度互聯(lián)問題，提出了基于水膜吸附的分立微結(jié)構(gòu)高精度對(duì)準(zhǔn)方法和基于旋膠-蘸膠方式的膠粘固聯(lián)工藝，可有效

9、提高磁傳感器探頭制造精度。基于上述工藝方法最終建立了一套較為完備的MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器探頭制造工藝體系。
　　4、突破了GMR磁傳感器高分辨率信號(hào)檢測和高精度測控技術(shù)，研制了MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器樣機(jī)。
　　以信號(hào)檢測電路的輸入級(jí)為重點(diǎn)，采用源電阻匹配、失調(diào)電壓調(diào)節(jié)和靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)等方法降低了前置放大電路的等效輸入電壓噪聲，達(dá)到了3.75 nV/√Hz@7.0kHz的優(yōu)良水平；基于數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試

10、，對(duì)比研究了數(shù)字鎖定放大和頻譜校正（Rife和M-Rife）算法的信號(hào)檢測能力，并由此提出了基于滑動(dòng)平均窗的M-Rife高分辨率信號(hào)檢測算法，相比原有檢測方法，可使頻率和幅值的均方根誤差降低一半以上；采用滑動(dòng)平均窗M-Rife算法對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓幅值進(jìn)行了高精度檢測，并結(jié)合數(shù)字 PI控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)微硅壓電回旋梁的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，經(jīng)測試，振幅約10μm，諧振頻率約7.2kHz，20分鐘內(nèi)振幅波動(dòng)小于0.005μm，頻率波動(dòng)小于0.5Hz；采用分段多

11、量程、D/A增益調(diào)整和數(shù)字 PID控制等方法實(shí)現(xiàn)了大量程高精度電流的產(chǎn)生與控制，經(jīng)分析精度可優(yōu)于0.05%。最終通過高精度測控系統(tǒng)和傳感器探頭的全面整合，完成了MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器樣機(jī)的研制。
　　5、建立了一套較為完善的弱磁傳感器性能測試與評(píng)估方法，驗(yàn)證了機(jī)-電-磁微結(jié)構(gòu)磁場傳感理論的正確性，所研制的MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器樣機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
　　從弱磁傳感器測試系統(tǒng)構(gòu)建出發(fā)，重點(diǎn)測試分

12、析了MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器樣機(jī)的響應(yīng)、噪聲及機(jī)-電-磁耦合等特性，并以此對(duì)最小可探測磁場、磁滯和非線性等性能指標(biāo)進(jìn)行了科學(xué)評(píng)估，最終建立了較為完善的弱磁傳感器性能測試與評(píng)估方法。樣機(jī)最小可探測磁場達(dá)77pT/√Hz，優(yōu)于目前國內(nèi)外已報(bào)道的GMR磁傳感器低頻最小可探測磁場的最佳水平（133 pT/√Hz@1Hz）；磁力線垂動(dòng)調(diào)制方式可使1/f噪聲的限制作用降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上（大于220倍），實(shí)測調(diào)制效率為29.5%，與30%的