一种基于声波激励磁电天线的复合型三轴霍尔传感器制造技术

本发明专利技术提供一种基于声波激励磁天线的复合型三轴霍尔传感器，包括霍尔探头、声波激励磁电天线；将所述声波激励天线应用于三轴霍尔传感器之中构成复合型三轴霍尔传感器，通过所述声波激励天线将低频待测信号的频段转移至较高频段，通过解调电路将经过所述三轴霍尔传感器的霍尔探头的输出信号中的待测磁场信号进行还原；所述霍尔探头在较高频段的噪声功率谱密度较低，通过频率转移实现传感器噪声的降低。本发明专利技术通过调制解调的方式将待测信号的频率转移到较高频率，高频率处的噪声功率谱密度低，因此可以探头的噪声灵敏度。因此可以探头的噪声灵敏度。因此可以探头的噪声灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声波激励磁电天线的复合型三轴霍尔传感器


[0001]本专利技术属于传感
，具体涉及一种基于声波激励磁电天线的复合型三轴霍尔传感器。

技术介绍

[0002]高灵敏度磁场传感器在定位、导航、授时(PNT)、探测与自动化信息技术等应用领域有非常广泛的应用。适用于民用级别的PNT的磁场传感具有以下7个特征：平面结构；高灵敏度；面外矢量；小体积、轻重量；低功耗；能够大批量生产；物理机制清楚。现有的磁场传感器包括感应式、磁通门、光泵、巨磁阻、巨磁阻抗、霍尔探头等类型。但是被广泛应用的三轴磁场传感器主要是如MLX90422专利公开的三轴霍尔传感器。
[0003]现有的大多数磁场传感器因为物理机制的原因，不能同时满足这些条件，这会造成诸多应用局限。例如，体积小、重量轻的芯片级别的光泵传感器，其功耗高，造成的能量损耗较大。又例如高灵敏度磁通门磁场传感器，其激励和接收线圈在三轴集成时会产生面外一轴取向，难以实现平面结构，同时会造成比较大的角度误差，这些误差可以通过后续算法进行部分补偿，但是无法完全消除。高灵敏度感应式传感器的主要问题是体积和重量不适合PNT应用，且具有和磁通门类似的无法扁平面化的问题。与以上传感器工作原理稍远的各种磁阻传感器(GMR、AMR、TMR)，具有低功耗、平面化且可批量生产的特点，不过这些传感器的主要测量面内方向，并且小型化后噪声较高。平面霍尔传感器的探测方式与磁阻传感器类似，无法实现面外方向的磁场测量。
[0004]三轴霍尔传感器使用集成在平面内的4个以上的霍尔传感器辅助以集场器完成三轴磁场的测量。面外Z轴方向的磁场由传统霍尔效应测量，面内磁场由处于传感器上方的集场器通过磁聚效应改变为面外方向，并由相对的一组传感器做差分测量，分别求得面内X和Y方向的磁场强度。三轴霍尔传感器的唯一缺陷是灵敏度较低，低频噪声等级可达数十至数百nT/rt
‑
Hz。这制约了传感器的一部分的应用场景，例如对于导航中的方位校准的应用，传感器需要至少具备测量两个轴向的高灵敏度。霍尔传感器和其他类型的磁场传感器的对比如下：
[0005][0006]霍尔传感器的低频探测精度较低，但是其噪声功率谱密度随频率增加而降低。这样，可以使用磁场发射天线将待测磁场频移至高频段，并由霍尔探头将高频段的磁场信号转换为电信号。经过解调后，霍尔探头的低频探测性能可以得到1
‑
2个数量级的提升。用于
此种“磁通门
‑
霍尔”复合传感器中的磁场发射天线是由线圈和高磁通系数的铁磁性材料磁芯组成。当磁芯缠绕较多匝数的线圈时，天线难以固定于传感器平面内部；或者磁芯处于平面内部时，难以缠绕较多匝数。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于声波激励磁电天线的复合型三轴霍尔传感器，其采用的技术方案：
[0008]一种基于声波激励磁电天线的复合型三轴霍尔传感器，包括霍尔探头、声波激励磁电天线；将所述声波激励天线应用于三轴霍尔传感器之中构成复合型三轴霍尔传感器，通过所述声波激励天线将低频待测信号的频段转移至较高频段，根据天线尺寸的不同，这一高频载波频段一般为30MHz
‑
3GHz区间，通过解调电路将经过所述三轴霍尔传感器的霍尔探头的输出信号中的待测磁场信号还原至小于100kHz的低频段；所述霍尔探头在较高频段的噪声功率谱密度较低，通过频率转移实现传感器噪声的降低。
[0009]进一步地，所述霍尔探头包括霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc和霍尔探头HPd；霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc和霍尔探头HPd通过微纳米加工刻蚀制备于所述衬底之上；所述声波激励磁电天线呈两轴长度不等的十字形，中心部分固定于衬底之上，两轴末端分别位于霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc和霍尔探头HPd之上；垂直于衬底的平面的方向定义为Z轴方向，所述Z轴方向的磁场强度由霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc、霍尔探头HPd的共模分量求得；沿所述声波激励磁电天线长轴的方向定义为X轴，根据对称性原理，所述X轴方向的磁场强度由霍尔探头HPa和霍尔探头HPb解调之后的差模分量求得；平行于所述声波激励磁电天线短轴的方向定义为Y轴方向，所述Y轴方向的磁场强度由霍尔探头HPc和霍尔探头HPd解调之后的差模分量求得；X，Y，Z轴方向的实际磁场强度B
x
,B
y
,B
z
和霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc、霍尔探头HPd的输出电压V
HPa
,V
HPa
,V
HPa
,V
HPa
之间的关系由公式(1)定义：
[0010][0011]其中，f(.)是四组霍尔探头的信号转换系数，g(.)是四组天线
‑
霍尔探头复合结构的信号转换系数；
[0012]由公式(1)求出X，Y，Z轴磁场强度为：
[0013][0014]进一步地，所述霍尔探头的信号放大解调电路包括天线激励信号源、信号放大模块、信号解调模块及反馈模块；所述天线信号激励源由具有高频率稳定和低噪声的振荡器及电容、电阻构成，所述信号放大模块包括低噪声电压运算放大电路及电容、电阻，所述信号解调模块包括乘法器、低通滤波器。
[0015]进一步地，所述声波激励磁电天线在振荡器交变电压的作用下，通过逆磁电耦合效应由声波激励磁电天线中的磁致伸缩相材料发射激励磁场载波信号，同时低频待测磁场信号在声波激励磁电天线中调制载波信号，调制后的磁场信号作用于霍尔探头，偏置电压源为霍尔探头的电源；所述霍尔探头的输出连接至信号放大模块，信号放大模块的输出通过电压负反馈至天线输入端，同时输出连接乘法器，由乘法器实现对低频信号的解调，所述乘法器输出端连接低通滤波器，低通滤波器实现高次谐波的滤波功能，在输出端处输出电压信号，输出信号通过反馈电阻实现电压负反馈。
[0016]进一步地，所述霍尔探头为采用锑化铟、铟镓砷的半导体薄膜。
[0017]进一步地，所述声波激励磁电天线由一层高磁致伸缩、高磁导率的铁磁性材料和一层压电薄层构成。
[0018]进一步地，所述铁磁性材料为经过可控热处理工艺的、发生表面拓扑和化学结构变化的铁基非晶、铁基纳米晶磁致伸缩材料或磁致伸缩铁氧化物。
[0019]进一步地，所述压电薄层为具有高机电耦合系数的铌镁酸铅
‑
钛酸铅压电单晶体或者锆钛酸铅压电陶瓷。
[0020]进一步地，通过设定两个方向的声波激励磁电天线的长度，使两个声波激励磁电天线具有不同的机械谐振频率，避免天线激励频率串扰。
[0021]进一步地，所述霍尔探头为平面磁场传感器。
[0022]有益效果：
[0023]本专利技术使用声波激励天线作为霍尔传感器的聚磁装置，其通过调制解调的方式将待测信号的频率转移到较高频率，高频率处的噪声功率谱密度低，因此可以探头的噪声灵敏度。本专利技术可以避免在信号调制过程中使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声波激励磁天线的复合型三轴霍尔传感器，其特征在于：包括霍尔探头、声波激励磁电天线；将所述声波激励天线应用于三轴霍尔传感器之中构成复合型三轴霍尔传感器，通过所述声波激励天线将低频待测信号的频段转移至较高频段，通过解调电路将经过所述三轴霍尔传感器的霍尔探头的输出信号中的待测磁场信号进行还原；所述霍尔探头在较高频段的噪声功率谱密度较低，通过频率转移实现传感器噪声的降低。2.根据权利要求1所述的一种基于声波激励磁天线的复合型三轴霍尔传感器，其特征在于：所述霍尔探头包括霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc和霍尔探头HPd；霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc和霍尔探头HPd通过微纳米加工刻蚀制备于所述衬底之上；所述声波激励磁电天线呈两轴长度不等的十字形，中心部分固定于衬底之上，两轴末端分别位于霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc和霍尔探头HPd之上；垂直于衬底的平面的方向定义为Z轴方向，所述Z轴方向的磁场强度由霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc、霍尔探头HPd的共模分量求得；沿所述声波激励磁电天线长轴的方向定义为X轴，根据对称性原理，所述X轴方向的磁场强度由霍尔探头HPa和霍尔探头HPb解调之后的差模分量求得；平行于所述声波激励磁电天线短轴的方向定义为Y轴方向，所述Y轴方向的磁场强度由霍尔探头HPc和霍尔探头HPd解调之后的差模分量求得；X，Y，Z轴方向的实际磁场强度B
x
,B
y
,B
z
和霍尔探头HPa、霍尔探头HPb、霍尔探头HPc、霍尔探头HPd的输出电压V
HPa
,V
HPa
,V
HPa
,V
HPa
之间的关系由公式(1)定义：其中，f(.)是四组霍尔探头的信号转换系数，g(.)是四组天线
‑
霍尔探头复合结构的信号转换系数；由公式(1)求出X，Y，Z轴磁场强度为：3.根据权利要求1所述的一种基于声波激励磁天线的复合型三轴霍尔传感器，其特征在于：所述霍尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄鑫，方广有，张勖，闫彬，马天军，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：