一种微小型磁矢量传感器设计
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摘 要：文章介绍了一种微小型磁矢量传感器设计。该传感器的检测单元包括两个磁敏感单元和一套信号处理系统。磁敏感单元采用MEMS技术制作，具有体积小、集成度高等特点。信号处理系统通过对两个磁敏感单元对空间地磁信号进行采集，并通过对磁敏感单元的信号数据处理，有效地改善了传感器的非线性和噪声，提高了传感器的灵敏度和线性度。对采用MEMS技术制作的微小型磁矢量传感器进行性能测试，测试结果表明：该传感器的灵敏度优于100pT/Hz1/2，线性误差≤0.1%。
关键词：微小型磁矢量传感器;设计;信号处理
中图分类号：TN911.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）16-0034-03
Abstract： The design of a miniature magnetic vector sensor is introduced in this paper. The detection unit of the sensor includes two magnetic sensitive units and a set of signal processing system. The magnetic sensitive unit is made by MEMS technology， which has the characteristics of small size and high integration. The signal processing system collects the space geomagnetic signal from two magnetic sensitive units， and through the signal data processing of the magnetic sensitive unit， effectively improves the nonlinearity and noise of the sensor， and improves the sensitivity and linearity of the sensor. The performance of the miniature magnetic vector sensor fabricated by MEMS technology is tested. The test results show that the sensitivity of the sensor is better than 100pT/Hz1/2， and the linear error is less than 0.1%.
Keywords： miniature magnetic vector sensor; design; signal processing
引言
目前，還没有一种水下导航方式能够与空中的全球定位系统GPS媲美。水下导航技术是发展潜艇导航技术及自主水下航行器AUV的关键所在。利用地球物理特征进行无源导航的理论和方法在国内外得到了广泛研究[1]。地磁水下导航具有隐蔽性好、即开即用、无漂移等优点，可弥补惯性导航长期误差累计的不足[2]。但由于地磁场非常微弱，随着所处空间位置的变化，其变化量也是相当微小，不仅不易测量，而且很容易受到背景噪声的干扰[3-5]。地磁水下导航的核心器件是具有高灵敏度和背景噪声抑制能力的磁矢量传感器。如何从各种干扰磁场中区分出水下导航所需的精确地磁场信号，是一个关键问题，也是限制地磁水下导航技术最终投入使用的瓶颈因素之一。
1 总体设计原理
微小型磁矢量传感器由两个磁敏感单元和一套信号处理系统组成。两个高分辨率的磁敏感单元构成差模敏感结构，并通过这两个放置在不同位置的磁敏感单元进行所处空间地磁信号的采集工作，采用两路信号差分处理的方法对实时测量的地磁数据进行噪声滤除。为了实现传感器的小型化，采用MEMS工艺和立体封装方式进行磁敏感单元的制作和三维结构的一体化封装，如图1所示。
两个放置在不同位置的磁敏感单元产生的感应磁场有较大不同，即感应系数矩阵K1和K2存在差异性。将地磁场视为均匀磁场，真实地磁场和测量磁场的关系可用式（1）表述：
式中，HG为真实地磁场，A为常数，H1M、H2M为两个敏感单元的测量值，K1和K2为两个磁敏感单元的感应系数矩阵，H1S和 H2S为两个磁敏感单元所在位置的剩磁干扰噪声。K1和K2、H1S和H2S存在明显差异，可以在磁场变化平缓的环境下进行机动测量后，采用Kalman滤波法、非线性最小二乘法等计算拟合得出。H1M、H2M和A分别由矢量传感器测量标定获得。通过差分模处理对环境干扰磁场进行补偿，可抑制外界杂散磁场干扰，有效提高测量灵敏度。
2 磁敏感单元芯片设计
磁敏感单元的芯片从下到上分为四层结构：偏置磁场带层、置位/复位电流带层、四端惠斯通桥式磁阻层和引线层。
最上一层是引线层。引线材质为铝，布线方式如图2（d）所示。
第二层是四端惠斯通桥式磁阻层，包括镜像对称设置的两组磁阻，每组磁阻包括两个呈矩形方波结构的薄膜磁阻条，磁阻条的材质为坡莫合金。磁阻条线宽为1.6μm，厚度为0.8μm，电阻绕线总长度为1430μm。
第三层是置位/复位电流带层，包含一个盘旋设置呈矩形螺旋结构的平面绕线，材质为铝，其长边与偏置磁场带层的长边相互垂直。平面绕线线宽为15μm，厚度为1μm，电阻绕线总长度为1.4×104μm。
第四层是偏置磁场带层，包括两个平行设置的平面绕线，材质为铝。每个平面绕线盘旋设置，使其呈矩形螺旋结构，两个电阻绕线中位于外圈的线端相连。电阻绕线线宽为10μm，厚度为1μm，电阻绕线总长度为3.1×104μm。 坡莫合金薄膜的电阻率与磁化强度M和电流方向I的夹角θ有关，其中？籽//、？籽⊥分别是电流平行于饱和磁化矢量M和垂直于饱和磁化矢量M的电阻率。图2（d）a点和b点的坡莫合金薄膜电阻率可用式（2）和式（3）表示：
3 传感器信号处理设计
传感器信号处理系统的设计如图3所示。两个信号处理通道用于测量两个磁敏感单元的三维磁场。激励电源用于为敏感部件电桥提供稳定电源，并提供调制信号激励。模拟电路将测量的电桥信号进行放大形成模拟电压信号，通过两路16位AD转换器形成数字信号，传递给微处理器。微处理器通过内部的信号处理程序，读取储存在存储器内的参数对传感器的非线性、正交度进行差分噪声补偿等修正操作。通过计算和试验，修正存储器内的参数，优化差分噪声补偿等设计，保证得到的数字信号满足要求。
4 设计样品的性能测试
对设计的磁敏感样品进行了灵敏度和线性度测试。在±1Gauss的范围内，测试了5个测试点，并计算了其线性度为0.1%，如表1所示。在0.5Gauss點连续测试10min，每分钟采样20次数据对数据进行FFT变换，得到（纵坐标，nT/Hz1/2）相对频率（横坐标，Hz）的噪声谱密度分布，计算1Hz频点下的传感器灵敏度优于0.1nT/Hz1/2（即100pT/Hz1/2），如图4所示。
5 结束语
本文设计并制作了一种微小型磁矢量传感器样品。通过对传感器样品的测试，表明该传感器在地磁场环境下，具有较高的测量灵敏度和较好的线性精度。该微小型磁矢量传感器采用差模敏感结构和数字补偿修正等方式，有效降低了环境噪声的影响，同时改善了传感器的灵敏度和线性度。磁敏感单元采用MEMS工艺制作，保证了磁传感单元具有良好的一致性，从而大幅度提高了磁矢量传感器的一致性，减少了传感器的体积和制造成本。试验证明，该微小型磁矢量传感器的研制方案是可行的，可为水下小型设备磁导航系统的开发做出了重要的技术积累。
参考文献：
[1]Goldenberg F.Gemagnetic navigation beyond the magnetic compass[J].Position Location and Navigation Symposium，2006：684-694.
[2]高社生，李华星.INS/SAR组合导航定位技术与应用[M].西安：西北工业出版社，2004：33-42.
[3]黄珍雄，罗孝文，关云兰，等.海洋地磁导航区域适配性分析[J].江西科学，2013，31（1）：35-38.
[4]LESUR V， CLARK T， TURBITT C， et al. A technique for estimating the absolute vector geomagnetic field from a marine vessel[J]. Journal of Geophysics and Engineering， 2004（1）：109-115.
[5]李季，潘孟春，罗诗途，等.半参数模型在载体干扰磁场补偿中的应用研究[J].仪器仪表学报，2013，34（9）：2147-2152.
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