[发明专利]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

说明书

本发明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。本发明具有高分辨力、高正交性、小体积、低功耗等优点。

技术领域

本发明涉及磁电耦合、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。

背景技术

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技术领域。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、Weizhong Wang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。

发明内容

本发明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，本发明采用以下技术方案：

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；