CN103323795A

CN103323795A - 一体式三轴磁传感器

Info

Publication number: CN103323795A
Application number: CN2013102470331A
Authority: CN
Inventors: 赵建强; 田武刚; 胡佳飞; 胡靖华; 李文印; 潘孟春
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: CN103323795B

Abstract

一种一体式三轴磁传感器，包括磁测量单元、软磁块、玻璃板和基座，所述磁测量单元为四个且呈十字型状对称布置在玻璃板上，所述玻璃板安装在基座的上方，所述基座的表面设有一个凹槽，所述软磁块放置于凹槽内且软磁块位于四个磁测量单元的中心处。本发明具有结构简单紧凑、体积小、成本低廉、制作方便、分辨率高等优点。

Description

一体式三轴磁传感器

技术领域

本发明主要涉及到微弱信号传感技术领域，特指一种采用MEMS微加工技术制作的高精度一体式三轴磁传感器。

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、MR（Giant Magnetoresistive，巨磁阻）磁传感器等。其中MR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MR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。我国无锡的美新半导体公司提出组装式三轴磁传感器，X、Y轴采用MR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）；美国Honeywell公司提出集成三个独立磁传感器到一个芯片上的三轴测量方案，就三轴的安装方法申请了专利（专利号：US7271586）；日本Aichi Steel公司把三个独立的MI磁传感器组装在一起形成三轴（US7298140B2）；日本Alps Electric公司在这种组装方面也有类似专利（专利号：US7559148B2）；法国科学家把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（P Leroy, C Coillot, V Mosser, A Roux and G Chanteur, An ac/dc magnetometer for space missions: Improvement of a Hall sensor by the magnetic flux concentration of the magnetic core of a searchcoil, Sensors and Actuators A, 142, pp. 503-510, 2008）；还有人提出基于用于MR敏感元件的环形磁力线聚集器结构并进行了有限元仿真分析，这种结构可以提高MR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（Jue Chen, Marc C. Wurz, Alexander Belski, and Lutz Rissing, Designs and Characterizations of Soft Magnetic Flux Guides in a-3D Magnetic Field Sensor, IEEE Trans. Magn., 48, pp 1481-1484, 2012）。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，目前也有不少方案提出。美国EVERSPIN TECHNOLOGIES公司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；美国Honeywell公司提出一种方案并申请了专利，把测量垂直平面的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；日本YAMAHA公司的专利提出把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，形成三轴侧传感器（专利号：US20120268113A1、US20090027048A1、US20090027048）。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21mT（S Lozanova, A Ivanov and C Roumenin, A Novel Three-Axis Hall Magnetic Sensor, Procedia Engineering, 25, pp. 539-542, 2011）；有人尝试采用微加工技术在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2mT左右（L Sileo, M T Todaro, V Tasco, M De Vittorio and A. Passaseo, Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures, Microelectronic Engineering, 87, pp 1217-1219, 2010）；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（D Ettelt, G Dodane, M Audoin, A Walther, G Jourdan, P Rey, P Robert and J Delamare, A Novel Microfabricated High Precision Vector Magnetometer, IEEE Sensors, pp 2010-2013, 2011）；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（J Kyynarainen, J Saarilahti, H Kattelus, A Karkkainen, T Meinander, A Oja, P Pekko, H Seppa, M Suhonen, H Kuisma, S Ruotsalainen and M Tilli, A 3D micromechanical compass, Sensors and Actuators A, 142, pp. 561-568, 2008）；在双轴MR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（M Suzuki, T Fukutani, T Hirata, S Aoyagi, S Shingubara, H Tajiri, Y Yoshikawa and T Nagahata, Triaxis magnetoresistive (MR) sensor using permalloy plate of distorting magnetic field, 2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp 671-674, 2010）。

通过以上对目前的一体化三轴磁传感器分析可知，在三轴磁传感器一体化制作中，难点是在于测量Z向磁场；基于霍尔磁敏感元件和洛伦兹力谐振的磁传感器可以达到的分辨率都不高，采用MR敏感元件可以实现高分辨率测量需求，但是MR敏感元件有一个特点，就是只能测量MR敏感元件所在平面内的磁场。解决这个问题主要有两种思路，第一种是把磁传感器制作在基底的斜面上，第二种是用磁力线转向结构把垂直平面的Z向磁力线转到平面内后用平面磁传感器测量。基于这两种思路测量Z向磁场方面目前也有不少方案提出。美国International Business Machines公司的专利提出在MR元件两侧添加软磁材料的聚集器，把垂直平面的磁力线部分地折的平面内测量（专利号：US7505233B2）；日本ALPS ELECTRIC公司的专利提出在MR敏感元件旁边放置软磁块，也是类似的作用（专利号：US20120200292A1）；台湾工业技术研究院有专利提出在基底上做出凹坑或者凸台，然后把MTJ器件制作在斜面上，通过电路处理敏感元件的输出信号来测量Z向磁场（专利号：US20120068698）；有人在硅的（100）表面各向异性蚀刻出（111）面，（111）面与（100）面之间有取决于硅晶体结构的夹角，然后把AMR磁敏感元件（111）面上，由于AMR敏感元件与基底平面呈一定夹角，可以测量Z向磁场，噪声水平为20nT1Hz，同时也指出制作在斜面上的AMR磁敏感元件与平面上的AMR磁敏感元件对磁场的灵敏度有差异，采用简单的电路难以从两个磁敏元件的响应中解出Z向磁场量值（F C S da Silva, S T Halloran, L Yuan and D P Pappas, A z-component magnetoresistive sensor, APPLIED PHYSICS LETTERS, 92, 142502, 2008）。

一般情况下，在一体式三轴磁传感器比组装式具有更好地正交性，可采用微加工技术实现传感器的小型化，但基于霍尔元件、AMR元件、洛伦兹力谐振磁敏感元件总体分辨力较低；采用MR作为敏感元件一般可以达到较高的灵敏度和分辨率，但是MR对所在平面内的磁场敏感，垂直平面的磁场对其影响很小。在MR敏感元件的附近放置软磁块在一定程度上可以把Z向磁力线转移到平面内测量，但是以上各种放置方法在具体实现中难度较大，而且难以保证软磁块的结构对称性和性能一致性；把MR敏感元件制作在传感器基底的斜面上可以直接测量Z向磁场，但其实现方法也比较复杂，而且位于斜面上的各磁传感器之间以及和平面内的磁传感器之间的一致性也难以保证。所以难点在于如何用MR敏感元件测量Z向磁场，这个难点导致基于MR敏感元件的三轴一体式磁传感器的设计制作难以实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、体积小、成本低廉、制作方便、具有高分辨力的一体式三轴磁传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种一体式三轴磁传感器，包括磁测量单元、软磁块、玻璃板和基座，所述磁测量单元为四个且呈十字型状对称布置在玻璃板上，所述玻璃板安装在基座的上方，所述基座的表面设有一个凹槽，所述软磁块放置于凹槽内且软磁块位于四个磁测量单元的中心处。

作为本发明的进一步改进：

每个所述磁测量单元包括MR元件、惠斯通电桥、惠斯通电桥的第一电桥偏置引线、第二电桥偏置引线、惠斯通电桥的第一信号引线、第二信号引线；所述惠斯通电桥由第一MR敏感元件、第二MR敏感元件、第一MR参考元件、第二MR参考元件构成；所述MR元件上设有第一聚集器和第二聚集器，所述第一MR敏感元件、第二MR敏感元件位于第一聚集器和第二聚集器的气隙间；所述第一MR参考元件、第二MR参考元件分别位于气隙两侧的聚集器的下方。

所述MR元件呈细条状，所述MR元件为自旋阀结构GMR、多层膜结构GMR或TMR。

所述软磁块的表面和玻璃板的表面平行。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用MR磁敏感元件，自身具有比较高的灵敏度，聚集器可以通过聚集放大作用进一步提高其测量磁场的灵敏度，所以最终的三轴磁传感器也可以达到比较高的灵敏度。

2、本发明三轴磁传感器的正交性好，通过采用MEMS微加工技术制作，容易保证平面内x轴和y轴磁场测量的正交性，同时，用于z轴垂直磁场导向的软磁块容易实现满足要求的加工精度和安装精度，z轴和传感器平面的正交性也可以保证，最终实现正交性良好的三轴磁传感器。

3、本发明三轴磁传感器具有小型化、低功耗等优点，采用MEMS工艺加工制作，可以实现小型化、功耗低，可用范围广，同时传感器中所有的MR元件均制作在本征硅基底平面上，容易实现，而且同批次制作，使三轴磁传感器的MR敏感元件磁性能具有较好的一致性。

4、本发明的三轴磁传感器采用了软磁块磁路控制技术，三轴磁传感器灵敏度高、体积小功耗低，MR单元一致性好，三轴间具有很好的正交性，并且传感器整体结构简单，制造方便，可有效降低传感器的制作成本。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明中一个测量单元的结构原理示意图。

图3是图1中A-A处剖面示意图。

图4是本发明另一种可能实现的结构示意图。

图5是本发明图4实现结构的B-B剖面图。

图例说明：

1、磁测量单元；101、第一磁测量单元；102、第二磁测量单元；103、第三磁测量单元；104、第四磁测量单元；2、软磁块；3、玻璃板；4、基座；5、凹槽；601、第一MR敏感元件；602、第二MR敏感元件；603、第一MR参考元件；604、第二MR参考元件；605、第二电桥偏置引线；606、第二信号引线；607、第一电桥偏置引线；608、第一信号引线；7、MR元件；701、第一聚集器；702、第二聚集器；8、信号电极。

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。

如图1和图3所示，本发明的一体式三轴磁传感器，包括磁测量单元1、软磁块2、玻璃板3和基座4；磁测量单元1为四个（图中分别为第一磁测量单元101、第二磁测量单元102、第三磁测量单元103和第四磁测量单元104），四个磁测量单元1呈十字型状对称布置在玻璃板3上。基座4可以根据需要采用一般的印刷电路板，该基座4的表面加工有一个凹槽5，软磁块2放置于凹槽5内且软磁块2位于四个磁测量单元1的中心处。玻璃板3安装在基座4的上方，软磁块2的上表面可以与基座4的上表面平齐，也可以不平齐。本实例中为齐平，但在其他实施例中，在玻璃板3的下表面也可以根据实际需要加工有具有一定深度的凹陷处且位置与凹槽5对应，软磁块2则位于该凹陷处以及基座4的凹槽5中。在较佳的实施例中，需要保证软磁块2的表面和玻璃板3的表面基本平行。本发明通过软磁块2就可以把垂直磁传感器平面的磁场分量聚集并扭转到磁传感器平面内，然后可以用磁测量单元1进行测量。可见，磁测量单元1的测量结果包括两部分，一部分为垂直于传感器平面的磁场分量，另一部分为平面内的磁场分量。磁测量单元1的惠斯通电桥的偏置电压通过偏置电极施加，输出信号通过信号电极8引出。从四个磁测量单元1的输出信号中可以解算出被测磁场的三个分量值。

在具体实施例中，基座4采用绝缘基底，绝缘基底采用本征硅Si，在其表面气相化学反应沉积一层Si₃N₄，增强基底的绝缘性能；基底表面镀有偏置电极和信号电极8。在硅面上蚀刻出四个凹坑，在凹坑的（111）斜面和（100）平面镀软磁薄膜形成平面磁聚集器和磁变轨聚集器结构，聚集器用于磁场的聚集放大、变向。测量各向磁场的MR元件可采用相同的工艺同批次制作在硅基底（100）平面上，所得MR元件一致性比较好。把四个MR元件连接成惠斯通电桥形式作为一个磁测量单元，总共用四个磁测量单元1测量磁场的三轴分量，测量结果从四个磁测量单元1的输出信号中解算得到。

如图2所示，为具体实施例中其中一个磁测量单元1的结构示意图。单个磁测量单元1包括MR元件7以及由第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602、第一MR参考元件603、第二MR参考元件604构成惠斯通电桥、惠斯通电桥的第一电桥偏置引线607、第二电桥偏置引线605、惠斯通电桥的第一信号引线608、第二信号引线606。其中，MR元件7呈细条状，具体实现中可采用自旋阀结构GMR，也可以采用多层膜结构GMR，还可以采用TMR。MR元件7上设有第一聚集器701和第二聚集器702，两个聚集器可以对磁力线产生聚集作用，以增加第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602位置处的磁场值。第一聚集器701和第二聚集器702之间的气隙比第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602略宽，用来放置测量用MR磁敏感元件，即第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602位于第一聚集器701和第二聚集器702的气隙间。当第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602敏感方向的磁场变化时，第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602的电阻值也会发生相应变化。

第一聚集器701和第二聚集器702可以根据实际需要采用高磁导率软磁材料（如NiFe、CoZrNb等）在绝缘基底表面溅射制成的软磁薄膜，其形状不限于图中所示，可以为长方形或梯形等，满足对称性要求即可。

第一MR参考元件603、第二MR参考元件604分别位于气隙两侧的聚集器的下方，聚集器在聚集磁力线的同时，会对第一MR参考元件603、第二MR参考元件604所处位置起到磁屏蔽作用。当外磁场变化时，第一MR参考元件603、第二MR参考元件604不会受到磁场作用，其电阻值也不会发生变化。第一MR敏感元件601、第二MR敏感元件602的电阻值随外磁场的改变变化，则惠斯通电桥的第一信号引线608的输出信号

Figure 2013102470331100002DEST_PATH_IMAGE001

和第二信号引线606的输出信号

的差分反映了被测磁场的大小，所以可用磁测量单元1测量其敏感方向的磁场值。温度变化会对所有的MR敏感元件的电阻值产生相同的作用，所以具有惠斯通电桥形式的磁测量单元1对温度的不利影响有一定的抑制作用。

使用时，取图中的右手坐标系，z向垂直纸面向外，第一磁测量单元101和第三磁测量单元103的敏感方向为x方向，第二磁测量单元102和第四磁测量单元104的敏感方向为y方向。当有磁场作用于三轴磁传感器时，磁场可以分解为沿图示坐标轴三个分量，取坐标轴正方向为参考方向。磁聚集器结构对称，可认为聚集器对x方向和y方向的磁场具有相同的放大倍数。沿x方向的磁场分量在第一磁测量单元101的x正方向、第三磁测量单元103的x正方向有相同作用，对第二磁测量单元102和第四磁测量单元104无作用。沿y方向的磁场分量在第二磁测量单元102的x正方向、第四磁测量单元104的x正方向有相同作用，对第一磁测量单元101的x正方向、第三磁测量单元103无作用。沿z方向的磁场分量在软磁块2作用下同程度的分别扭转到第一磁测量单元101的x正方向、第三磁测量单元103的x负方向、第二磁测量单元102的y负方向、第四磁测量单元104的y正方向。

把第一磁测量单元101输出的差分电压值和第三磁测量单元103输出的差分电压值相加可以得到与磁场x方向分量成比例的电压输出。把第二磁测量单元102输出的差分电压值和第四磁测量单元104输出的差分电压值相加可以得到与磁场y方向分量成比例的电压输出。用第一磁测量单元101输出的差分电压值、第四磁测量单元104输出的差分电压值相加，然后减去第二磁测量单元102输出的差分电压值、第三磁测量单元103输出的差分电压值可以得到与磁场z方向分量成比例的电压输出。即从四个磁测量单元的信号输出差分电压解算出被测磁场的三分量。

如图4和图5所示，为本发明在另外一个具体应用实例中的结构原理示意图。区别就在于，这种结构相当于将第一磁测量单元101、第二磁测量单元102、第三磁测量单元103、和第四磁测量单元104的靠近中心的一端共用，信号电极8的连接方式也相应调整。

在其他实施例中，还可以改变构成惠斯通电桥的电桥偏置引线和信号引线的形状和具体位置，而不受到上述两种实施例的限制，只需要满足惠斯通电桥的电压偏置和信号输出要求即可。

在其他实施例中，玻璃板3上所有电极也可以根据实际需要采用先溅射（或真空蒸发、电镀等）导电膜层（铝或金等）再光刻腐蚀的工艺制备成型。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种一体式三轴磁传感器，其特征在于，包括磁测量单元（1）、软磁块（2）、玻璃板（3）和基座（4），所述磁测量单元（1）为四个且呈十字型状对称布置在玻璃板（3）上，所述玻璃板（3）安装在基座（4）的上方，所述基座（4）的表面设有一个凹槽（5），所述软磁块（2）放置于凹槽（5）内且软磁块（2）位于四个磁测量单元（1）的中心处。

2.根据权利要求1所述的一体式三轴磁传感器，其特征在于，每个所述磁测量单元（1）包括MR元件（7）、惠斯通电桥、惠斯通电桥的第一电桥偏置引线（607）、第二电桥偏置引线（605）、惠斯通电桥的第一信号引线（608）、第二信号引线（606）；所述惠斯通电桥由第一MR敏感元件（601）、第二MR敏感元件（602）、第一MR参考元件（603）、第二MR参考元件（604）构成；所述MR元件（7）上设有第一聚集器（701）和第二聚集器（702），所述第一MR敏感元件（601）、第二MR敏感元件（602）位于第一聚集器（701）和第二聚集器（702）的气隙间；所述第一MR参考元件（603）、第二MR参考元件（604）分别位于气隙两侧的聚集器的下方。

3.根据权利要求2所述的一体式三轴磁传感器，其特征在于，所述MR元件（7）呈细条状，所述MR元件（7）为自旋阀结构GMR、多层膜结构GMR或TMR。

4.根据权利要求1或2或3所述的一体式三轴磁传感器，其特征在于，所述软磁块（2）的表面和玻璃板（3）的表面平行。