基于GMR的高性能小型化磁傳感器理論與技術研究.pdf

1、一直以來，“磁”在人類歷史進程中扮演著十分重要的角色；尤其是隨著磁電子學的興起，與地磁場相關的弱磁探測更是迎來了新的發(fā)展契機，無人機磁反潛、地磁導航、智能磁引信等新興弱磁應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)展的一個熱點方向。但目前，1/f噪聲、磁滯和三軸非正交等問題嚴重困擾著GMR磁傳感器的發(fā)展。本文在國家自然科學基金項目支持下，從理論探索、仿真設計、工藝制造及實

2、驗評估等方面對新型 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-電-磁微結構磁場傳感理論，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調制、變軌、磁場跟蹤補償、三維磁場聯(lián)合調控與傳感、機-電-磁噪聲干擾耦合等基本內容，并由此提出了機-電-磁微結構磁場傳感理論。基于動態(tài)分流思想

3、提出的垂動調制方式通過高頻振動的機-電-磁微結構直接調制被測磁場，可大幅降低1/f噪聲對GMR磁傳感器低頻探測能力的限制，與現(xiàn)有調制方式相比具有調制效率高、結構工藝簡單等優(yōu)勢；提出的磁力線變軌調控方式通過特定軟磁微結構將垂直的Z向磁場引導至X-Y平面，使GMR磁傳感器能夠實現(xiàn)三維磁場的平面化測量，從而有效提升其三軸正交性；基于磁疇運動規(guī)律揭示了GMR磁敏感體中磁滯產(chǎn)生的內在機理，并指出通過跟蹤補償被測磁場，可使磁敏感體內磁化狀態(tài)基本保持

4、恒定，從而實現(xiàn)對磁滯和非線性的抑制；基于垂動調制、變軌和磁場跟蹤補償?shù)却艌稣{控方式建立的三維磁場聯(lián)合調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械振動噪聲的耦合機理模型，揭示了機-電-磁微結構中多物理場耦合作用的主要規(guī)律，進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計方案，并建立了相應的優(yōu)化設計方法。
　　基于機-電-

5、磁微結構磁場傳感理論，將GMR磁敏感體、垂動調制膜、變軌軟磁塊、微硅壓電回旋梁以及微補償線圈等結構有機融合，提出了一種新型的MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器設計方案。基于先總體再局部和對稱分層的設計思想，綜合運用電磁和結構有限元仿真方法，系統(tǒng)地建立了以調制效率、變軌系數(shù)、模態(tài)頻率及電磁感應常數(shù)等為核心評價指標的優(yōu)化設計方法。利用ANSYS磁場有限元仿真方法完成了垂動調制膜和變軌結構的參數(shù)優(yōu)化設計，調制效率和變軌系數(shù)分別達到了30％和0

6、.65；利用COMSOL結構有限元分析方法對微硅壓電回旋梁進行了結構模態(tài)和抗干擾能力分析，并以一階模態(tài)頻率和靜態(tài)位移為評價指標，對其尺寸進行了優(yōu)化設計；利用MAXWELL電磁有限元仿真方法對微補償線圈在軟磁微結構作用下的勵磁規(guī)律進行了研究，并根據(jù)電磁感應常數(shù)、電阻及功耗等評價指標完成了微補償線圈的優(yōu)化設計。
　　3、突破了硅基軟磁微結構制備、微硅結構高精加工、微補償線圈制備和多層微結構低溫互聯(lián)等關鍵工藝，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，實現(xiàn)了大厚度單晶硅基軟磁微結構的高質量制備，經(jīng)表征，沉積的NiFe膜厚度大于10μm，相對磁導率高于1000，完全能夠滿足磁傳感器對軟磁微結構的要求；針對常用傳遞式對準標記系統(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構制造的基準式對準標記系統(tǒng)；建立了以溫度、濃度和清潔度為關鍵工藝條件的單晶硅濕法腐蝕控制方法，有效提高

8、了微硅結構的面形加工精度；基于濕法計時減薄方法，實現(xiàn)了高度控制層的厚度精確控制，同時采用降低腐蝕溫度和加強清洗的方法來抑制“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，提高了Cr/Cu/Cr復合金屬膜與玻璃基底的結合性能，并通過側蝕補償和腐蝕工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了大深寬比微補償線圈的制造；為了解決低溫條件下多層微結構的高精度互聯(lián)問題，提出了基于水膜吸附的分立微結構高精度對準方法和基于旋膠-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檢測和高精度測控技術，研制了MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器樣機。
　　以信號檢測電路的輸入級為重點，采用源電阻匹配、失調電壓調節(jié)和靜態(tài)工作點設計等方法降低了前置放大電路的等效輸入電壓噪聲，達到了3.75 nV/√Hz@7.0kHz的優(yōu)良水平；基于數(shù)值仿真和實驗測試

10、，對比研究了數(shù)字鎖定放大和頻譜校正（Rife和M-Rife）算法的信號檢測能力，并由此提出了基于滑動平均窗的M-Rife高分辨率信號檢測算法，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；采用滑動平均窗M-Rife算法對驅動電壓幅值進行了高精度檢測，并結合數(shù)字 PI控制方法實現(xiàn)了對微硅壓電回旋梁的穩(wěn)定驅動，經(jīng)測試，振幅約10μm，諧振頻率約7.2kHz，20分鐘內振幅波動小于0.005μm，頻率波動小于0.5Hz；采用分段多

11、量程、D/A增益調整和數(shù)字 PID控制等方法實現(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估方法，驗證了機-電-磁微結構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關鍵指標達到國際先進水平。
　　從弱磁傳感器測試系統(tǒng)構建出發(fā)，重點測試分

12、析了MEMS/GMR三軸一體化磁傳感器樣機的響應、噪聲及機-電-磁耦合等特性，并以此對最小可探測磁場、磁滯和非線性等性能指標進行了科學評估，最終建立了較為完善的弱磁傳感器性能測試與評估方法。樣機最小可探測磁場達77pT/√Hz，優(yōu)于目前國內外已報道的GMR磁傳感器低頻最小可探測磁場的最佳水平（133 pT/√Hz@1Hz）；磁力線垂動調制方式可使1/f噪聲的限制作用降低兩個數(shù)量級以上（大于220倍），實測調制效率為29.5%，與30%的