[发明专利]一种采用磁变轨结构的Z向磁场传感器

说明书

技术领域

本发明主要涉及微弱信号传感技术领域，特指一种采用磁变轨结构的Z向磁场传感器。

背景技术

微弱磁场测量在地磁导航、目标探测、地质勘探、生物医学等领域都有广泛应用。三轴磁传感器可以同时测量磁场的三个分量，计算出传感器的倾角和方位角，在导航、定姿定位等方面比单轴和双轴传感器有更广阔的应用前景，高分辨力、低功耗、小型化是三轴磁传感器的主要发展方向。

现阶段用于磁场测量的三轴磁传感器类型较多，按实现方式可以分为组装式和一体式，按其工作原理可以分为磁通门传感器、霍尔传感器、洛伦兹力磁传感器、GMR(Giant Magnetoresistive，巨磁阻)磁传感器等。其中，GMR磁传感器是基于微电子工艺制成的，具有分辨力高、体积小、功耗低、易批量生产等特点，基于GMR效应的三轴磁传感器有希望实现一体化设计，并且具有高分辨力、小型化和低功耗的特点。

采用组装方式的三轴磁传感器主要有一个两轴和一个单轴、三个单轴这两种组合，主要有以下几种结构形式：1、组装式三轴磁传感器，其X、Y轴采用GMR单轴传感器，Z轴采用霍尔传感器，霍尔传感器方便测量Z向磁场(专利号：US20110234218A1)；2、集成三个独立磁传感器到一个芯片上的三轴测量方案(专利号：US7271586)；3、将三个独立的MI磁传感器组装在一起形成三轴(US7298140B2)；4、将霍尔传感器和搜索线圈传感器组装到一起，可以同时测量恒定磁场和交变磁场，分辨力高，其中测量恒定磁场可以达到100pT，但是由于采用三维线圈结构，体积较大，无法实现三轴磁传感器的小型化且不便批量生产；5、基于GMR敏感元件的环形磁力线聚集器结构，并对其进行了有限元仿真分析，这种结构可以提高GMR敏感元件的灵敏度，但三个分立的环形聚集器工艺难以实现，而且需要放在一起组装形成三轴磁传感器。一般而言，组装式三轴磁传感器的三轴正交性依赖于组装精度，而采用MEMS工艺制作的一体式三轴磁传感器具有更好的正交性。

在采用MEMS工艺的一体式三轴磁传感器方面，现有技术中也有不少方案提出：1、通过一定工艺在同一基底上制作不同钉扎方向的MR磁传感器，并在测量Z向磁场的MR敏感元件旁边制作软磁材料的聚集器，一体化制作形成基于MR效应的三轴磁传感器。2、将测量垂直平面的Z向磁场的传感器做到斜面上，与测量X、Y向磁场的平面内传感器一起实现三轴测量(专利号：US7564237、US7126330)，实现了一体化制作，但是斜面上的MR磁传感器制作难度相对较大，与平面内磁传感器的一致性难以保证。3、将MR敏感元件制作在基底的斜面上用来测量Z向磁场，和平面内的MR敏感元件一体化制作，形成三轴磁传感器(专利号：US20120268113A1、US20090027048A1、US20090027048)。4、另有人采用CMOS工艺在一个硅片上实现基于霍尔效应的磁场三轴传感器，保证了三轴之间的正交性，无磁滞效应，也不需要特殊的磁性材料，可以同时测量三分量，但分辨力低，约21μT。5、采用微加工技术在GaAs基底上利用热应力使制作的霍尔传感器与基底平面大体垂直，形成三轴霍尔传感器，实现了三轴磁传感器的小型化和一体化设计制造，工艺流程相对简单，但其Z向传感器与平面的夹角难以精确控制，所有三轴之间的正交性难以保证，而且最小可探测在2μT左右。6、有人利用永磁体膜和外磁场的相互作用力改变压阻敏感元件输出的原理，采用MEMS加工技术在硅片上实现三轴磁传感器的一体化设计，保证了传感器的小型化和一体化，但可以达到的分辨力有限，目前其Z向磁场的测量分辨力为250nT。7、由于置于磁场中的通电导体会受到洛伦兹力的作用力，通过结构设计把这种作用力产生位移，引起电容变化，测量电容即可得到磁场量值，采用MEMS技术的洛伦兹力三轴磁传感器，无磁滞效应，也不需要特殊的磁性材料，可以保证正交性、小型化、低功耗，但这种原理的磁传感器所能达到的分辨力不高，目前其Z分量的测量分辨力为70nT左右，而且低于平面内磁场测量的分辨力。8、在双轴GMR磁传感器基础上，利用NiFe板将垂直平面的磁场分量扭曲至平面后测量，形成三轴MR传感器，可用表面微加工技术实现，但扭曲后的磁场分量较小，Z向磁场测量分辨力较低。