一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，包括绝缘基底、磁通电调控单元、变轨软磁块和至少四个磁测量单元；磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，磁通电调控单元以磁测量单元的对称中心点为中心放置在绝缘基底上，变轨软磁块以磁测量单元的对称中心点为中心放置在磁测量单元上。本发明专利技术具有高分辨力、高正交性、小体积、低功耗等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器
本专利技术涉及磁电耦合、磁传感器技术等领域，具体涉及一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器。
技术介绍
高性能三轴磁传感器能够直接测量磁场的三分量信息，广泛应用于目标探测、地磁导航、空间环境监测等事关国家安全的重点
随着微弱磁场探测能力、检测系统体积等要求的不断提高，高性能三轴磁传感器技术呈现出高分辨力、高灵敏度、小型化、低功耗的发展趋势。三轴磁传感器按实现方式可分为组装式三轴磁传感器和一体化三轴磁传感器。组装式三轴磁传感器主要有三个单轴磁传感器组合、一个单轴磁传感器一个两轴磁传感器组合两种形式，但无论哪一种组合形式，组装式三轴磁传感器的三轴正交性都依赖于组装精度，使其三轴正交性的提升十分困难。一体化三轴磁传感器则具有更好的正交性。近年来，研究人员提出了多种一体化三轴磁传感器方案：1、采用CMOS工艺制作基于霍尔效应的三轴磁传感器，可以保证三轴之间的正交性，但分辨力较低，仅有约21μT；2、利用洛伦兹力产生位移引起电容变化来实现三轴磁场测量，能够保证正交性、小型化、低功耗，但分辨力不高，Z向磁场分辨力约为70nT；3、将测量X、Y向磁场的磁电阻传感器制作在基底平面上，将测量Z向磁场的磁电阻传感器制作在基底的斜面上，实现一体化制作(专利号：US7564237、US7126330)，但斜面上磁电阻传感器制作难度大，难以保证与平面内磁电阻传感器的一致性；4、利用NiFe板将Z向磁场分量扭曲至平面测量，实现磁场三分量测量，但扭曲后磁场分量较小，Z向磁场分辨力低。由以上分析可知，一体化三轴磁传感器相比组装式三轴磁传感器具有更好的正交性，但在一体化三轴磁传感器制作中，难点在于Z向磁场测量。基于霍尔效应和洛伦兹力的一体化三轴磁传感器能够达到的分辨力都比较低，而磁电阻元件能够实现较高的灵敏度和分辨力，更有希望满足高性能三轴磁传感器的高分辨力、高灵敏度、小型化、低功耗要求。但磁电阻元件只能敏感平面内磁场，利用磁电阻元件实现Z向磁场测量主要是通过将磁电阻传感器制作在基底的斜面上、利用软磁材料将Z向磁场转化到平面测量这两种方式来实现，但前者难以保证斜面上传感器与平面传感器的一致性，后者由于磁力线转向效率不高，三轴正交性提升有限。因此，磁电阻元件虽然凭借较高的灵敏度和分辨力成为一体式三轴磁传感器的重要发展趋势，但Z向磁场的测量问题仍亟待解决。除此之外，磁电阻元件还存在很大的1/f噪声。目前，抑制磁电阻器件1/f噪声主要是通过将待测低频磁场信号调制为高频磁场信号，再将得到的高频磁场信号经高通滤波器滤除1/f噪声：1、WeizhongWang等人利用铁磁材料温度在居里温度附近周期变化时发生铁磁相与顺磁相之间周期转化的特点，对被测磁场进行调制，但存在热稳定性、漂移等诸多问题，难以投入应用；2、NVE公司的A.Jander等人利用线圈施加外磁场对磁力线聚集器周期性饱和来进行斩波调制，但通过线圈施加的外磁场引入了额外的噪声，反而使得噪声增大；3、葡萄牙INESC的A.Guede等人采用压电驱动沉积有软磁材料的悬臂梁，使其在磁电阻敏感单元的正上方上下振动对磁场进行调制，但由于采用微机械振动的方式，难以同时兼顾高振动频率与大振幅，实现的调制效率较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高分辨力、高正交性的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，包括绝缘基底、磁通电调控单元、变轨软磁块和至少四个磁测量单元；所述磁测量单元呈中心对称布置于绝缘基底的表面，所述磁通电调控单元以磁测量单元的对称中心点为中心放置在绝缘基底上，所述变轨软磁块以磁测量单元的对称中心点为中心放置在磁测量单元上；所述每个磁测量单元包括磁力线聚集器、补偿线圈和磁敏感单元，所述补偿线圈缠绕在磁力线聚集器上，所述磁力线聚集器包括间隔设置的两聚集器单元，所述磁敏感单元的两敏感磁电阻位于两聚集器单元之间的中心间隙处；磁通电调控单元包括压电驱动层、谐振结构和软磁薄膜，所述谐振结构包括固支梁和支撑固支梁的锚点，锚点支撑固定在绝缘基底上，所述压电驱动层位于固支梁的上表面，所述软磁薄膜位于固支梁的下表面且位于中心间隙上方。作为对上述技术方案的进一步改进：所述绝缘基底为表面沉积有绝缘层的硅基底。所述磁敏感单元包括两参考磁电阻，所述参考磁电阻位于聚集器单元下方且靠近中心间隙一侧设置，两敏感磁电阻和两参考磁电阻构成惠斯通电桥。所述磁力线聚集器的中心间隙的中心线与磁力线聚集器中心轴线呈45°，两敏感磁电阻磁通量方向与中心间隙的中心线垂直，所述参考磁电阻磁通量的方向与磁力线聚集器中心轴线平行。关于对称中心点互相对称设置的两所述磁力线聚集器的中心间隙的中心线平行设置。所述压电驱动层自下而上依次设置有顶电极、压电基底和底电极。所述变轨软磁块包括软磁块主体和软磁块支撑部，所述软磁块主体通过软磁块支撑部跨设于磁测量单元，所述软磁块支撑部位于靠近对称中心点的聚集器单元上方。所述磁敏感单元的敏感磁电阻与参考磁电阻采用GMR或TMR制备而成。所述补偿线圈为分别分布于磁力线聚集器上表面和下表面的顶层线圈和底层线圈环绕而成的环形线圈结构。所述软磁薄膜采用FeSiBPC或FeGaB制备而成。所述磁力线聚集器通过高导磁膜生长在绝缘基底上制备而成，优选的，所述磁力线聚集器采用的材料为铁钴合金或镍铁合金。所述谐振结构通过锚点支撑固定在绝缘基底上。所述软磁薄膜通过磁控溅射的方式直接生长在谐振结构的下表面。所述压电驱动层的顶电极为金属层，优选的，所述金属层采用的材料为Cr、Mo、Au中的一种或多种。所述压电驱动层的压电基底采用压电材料制备而成，优选的，所述压电材料为AlN。所述压电驱动层的底电极为直接生长在谐振结构上的金属层，优选的，所述金属层采用的材料为Cr、Mo中的一种或多种。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，利用压电驱动层和谐振结构谐振使结构应变发生变化，从而使软磁薄膜的磁导率发生变化，利用软磁薄膜应力调控来抑制低频1/f噪声，实现对磁力线聚集器栖息处敏感体的磁场的调控，不需要大的振幅，大大降低了工艺难度。可以同时实现大应变与高振动频率，提高调制效率，大幅提升三轴磁传感器的分辨力。且谐振结构利用了硅机械阻尼低的特性，降低了迟滞特性以及所需的驱动电压，提升了整体的品质因数，可实现性更好。2、本专利技术的利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，采用变轨软磁块和磁测量单元将Z向磁场转向至平面并通过四个磁测量单元测量，实现Z向磁场的高效率变轨，完成三轴磁场的聚集放大与平面化测量，实现微弱三轴磁场信号高分辨力测量，通过将Z向磁场变轨转化到平面测量，可以实现面内高正交性测量，再通过解算得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，其特征在于：包括绝缘基底(1)、磁通电调控单元(3)、变轨软磁块(4)和至少四个磁测量单元(2)；/n所述磁测量单元(2)呈中心对称布置于绝缘基底(1)的表面，所述磁通电调控单元(3)以磁测量单元(2)的对称中心点为中心放置在绝缘基底(1)上，所述变轨软磁块(4)以磁测量单元(2)的对称中心点为中心放置在磁测量单元(2)上；/n所述每个磁测量单元(2)包括磁力线聚集器(21)、补偿线圈(22)和磁敏感单元(23)，所述补偿线圈(22)缠绕在磁力线聚集器(21)上，所述磁力线聚集器(21)包括间隔设置的两聚集器单元(212)，所述磁敏感单元(23)的两敏感磁电阻(231)位于两聚集器单元(212)之间的中心间隙(211)处；/n磁通电调控单元(3)包括压电驱动层(31)、谐振结构(32)和软磁薄膜(33)，所述谐振结构(32)包括固支梁(322)和支撑固支梁(322)的锚点(321)，锚点(321)支撑固定在绝缘基底(1)上，所述压电驱动层(31)位于固支梁(322)的上表面，所述软磁薄膜(33)位于固支梁(322)的下表面且位于中心间隙(211)上方。/n...

【技术特征摘要】
1.一种利用磁性应力调控抑制磁噪声的一体化三轴磁传感器，其特征在于：包括绝缘基底(1)、磁通电调控单元(3)、变轨软磁块(4)和至少四个磁测量单元(2)；
所述磁测量单元(2)呈中心对称布置于绝缘基底(1)的表面，所述磁通电调控单元(3)以磁测量单元(2)的对称中心点为中心放置在绝缘基底(1)上，所述变轨软磁块(4)以磁测量单元(2)的对称中心点为中心放置在磁测量单元(2)上；
所述每个磁测量单元(2)包括磁力线聚集器(21)、补偿线圈(22)和磁敏感单元(23)，所述补偿线圈(22)缠绕在磁力线聚集器(21)上，所述磁力线聚集器(21)包括间隔设置的两聚集器单元(212)，所述磁敏感单元(23)的两敏感磁电阻(231)位于两聚集器单元(212)之间的中心间隙(211)处；
磁通电调控单元(3)包括压电驱动层(31)、谐振结构(32)和软磁薄膜(33)，所述谐振结构(32)包括固支梁(322)和支撑固支梁(322)的锚点(321)，锚点(321)支撑固定在绝缘基底(1)上，所述压电驱动层(31)位于固支梁(322)的上表面，所述软磁薄膜(33)位于固支梁(322)的下表面且位于中心间隙(211)上方。


2.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述绝缘基底(1)为表面沉积有绝缘层的硅基底。


3.根据权利要求1所述的一体化三轴磁传感器，其特征在于：所述磁敏感单元(23)包括两参考磁电阻(232)，所述参考磁电阻(232)位于聚集器单元(212)下方且靠近中心间隙(211)一侧设置，两敏感磁电阻(231)和两参考磁电阻(232)构成惠斯通电桥。

【专利技术属性】
技术研发人员：胡佳飞，潘孟春，于洋，李裴森，彭俊平，杜青法，邱伟成，张琦，孙琨，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43