微型磁電阻效應(yīng)傳感器的空間應(yīng)用前景

鄭闊海，楊生勝，王 鹢，趙 琳，李存惠，孔風(fēng)連，姚日劍

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

上世紀(jì)90年代冷戰(zhàn)結(jié)束后，各航天大國軍備預(yù)算大幅下降，以美國為首的航天大國的空間研發(fā)基金投資發(fā)生巨大轉(zhuǎn)向，其結(jié)果就是現(xiàn)代化小型航天器的出現(xiàn)。這些小衛(wèi)星的研制宗旨是以廉價(jià)的成本投入，完成傳統(tǒng)航天器的使命。NASA等將小衛(wèi)星定位為FCB(快速，廉價(jià)，優(yōu)質(zhì))［1］。這些小衛(wèi)星通過商業(yè)化道路以吸引民間閑散基金;通過減小自身重量的優(yōu)勢以降低發(fā)射成本;通過商業(yè)替代品作為載荷以縮減載荷成本，這有效緩解了各國軍備預(yù)算的壓力。使得小衛(wèi)星通過商業(yè)化運(yùn)作的途徑，更容易吸收最新科技成果。

小衛(wèi)星重量不超過500 kg，目前各國小衛(wèi)星研制多指向納米衛(wèi)星(1～10 kg)和微衛(wèi)星(10～100 kg)?？臻g環(huán)境監(jiān)測及新技術(shù)的空間適應(yīng)性驗(yàn)證是小衛(wèi)星的歷史使命之一?？臻g磁場監(jiān)測是空間環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的磁通門受尺寸、重量、功耗及成本的限制，很難應(yīng)用于小衛(wèi)星。得益于半導(dǎo)體和集成工藝的飛速發(fā)展，基于磁電阻效應(yīng)的MR(MagnetoResistance)磁電阻傳感器異軍突起，成為小衛(wèi)星進(jìn)行空間磁場測量的首選。

2 空間磁場測量的需求

空間磁場測量是磁測量技術(shù)重要應(yīng)用方向之一，包括磁場強(qiáng)度及方向的測量?？臻g磁場測量的需求主要包括以下幾個(gè)方面［2］:

1)航天器姿態(tài)控制空間磁場范圍很寬(5×10－3nT～2×106nT)，運(yùn)行于低地球軌道的航天器受地磁場的影響，產(chǎn)生姿態(tài)擾動(dòng)而影響姿控;對于無嚴(yán)格定向要求的航天器，采用磁測量方法進(jìn)行姿態(tài)控制是通用方法。

2)航天器動(dòng)力源低地球軌道航天器作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁阻尼，并導(dǎo)致表面電位升高，如ISS感生電動(dòng)勢高達(dá)20V;通過航天器的合理設(shè)計(jì)，可將磁阻尼轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，如Tether。

3)星體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遙測磁場測量是僅有的可以了解星體內(nèi)部信息的遙測手段之一(重力測試是另一種遙測手段)，而不是單單針對星體表面及大氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

4)空間天氣學(xué)空間天氣已經(jīng)發(fā)展為一門獨(dú)立的學(xué)科，空間磁測量是其重要研究內(nèi)容。美國的空間天氣計(jì)劃，NASA的LWS(Living with a Star)計(jì)劃以及包括NASA的日地探測器在內(nèi)的太陽－地球體系研究都將空間磁場測量技術(shù)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一。歐洲、俄羅斯、及日本都制定了類似磁測量計(jì)劃。

5)深空探測通常地磁場對中高軌道的影響可以忽略，但更遠(yuǎn)的深空受太陽風(fēng)及星際粒子的影響存在星際磁場，通過磁場測量可以獲得太陽系內(nèi)不同星體的信息，如Appollo及Lunar Prospector(LP)給出了關(guān)于月球磁場的詳細(xì)信息。所以深空磁場探測具有重要的科學(xué)價(jià)值。

3 磁場測量技術(shù)

磁傳感器種類很多，每種傳感器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。表1給出了美國NIST對磁傳感器調(diào)研的結(jié)果［3］。

表1 各種磁傳感器比較/數(shù)據(jù)來自美國NIST

1)檢測線圈

檢測線圈技術(shù)是一項(xiàng)基于法拉第電磁感應(yīng)定律的成熟的，低成本，高靈敏度技術(shù)。檢測線圈是一種通量傳感器，只有采用大線圈才能獲得很高的靈敏度。

2)霍爾磁傳感器

霍爾磁傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一項(xiàng)成熟技術(shù)，該類型傳感器在很寬的尺寸范圍內(nèi)(1μm～1mm)都具有較高靈敏度。但信噪比較低，測量頻率小于1kHz。優(yōu)點(diǎn)是可對大尺寸范圍進(jìn)行檢測，缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差。

3)磁通門

磁通門以軟磁芯對磁場的非線性響應(yīng)為基礎(chǔ)。利用AC信號激勵(lì)初級線圈驅(qū)動(dòng)軟磁芯，通過檢測次級線圈的二次諧波信號獲得待測磁場的信息。磁通門具有高靈敏度，其系統(tǒng)也相對簡單。近年來盡管也出現(xiàn)了各種磁通門微型化技術(shù)，但與半導(dǎo)體工藝兼容性差，很難進(jìn)行集成化。磁通門作為一種通量傳感器，由于體積較大，功耗較高，NIST的研究結(jié)果表明低噪聲的薄膜磁通門幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的。

4)超導(dǎo)量子干涉儀

SQUIDs是目前最靈敏的磁場傳感器，其基本原理是基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化效應(yīng)。此傳感器也是一種通量傳感器，但需工作在低溫環(huán)境(～77 K)。目前，SQUIDs技術(shù)及其系統(tǒng)測量精度已接近理論水平。但受工作溫度限制，很難在空間應(yīng)用。

5)各向異性磁電阻傳感器

AMR磁傳感器是利用各向異性的磁性材料在不同磁場方向和外部電流條件下，磁致電阻不同的現(xiàn)象制成的磁傳感器。AMR也是一種成熟的技術(shù)，根據(jù)需求不同傳感器尺寸約在1μm～100 μm，可與半導(dǎo)體電路進(jìn)行集成并能實(shí)現(xiàn)陣列化。AMR傳感器靈敏度取決于各向異性磁致電阻效應(yīng)(＜5%)的大小，其1/f噪聲較GMR和TMR低，只是由于磁致電阻較小，輸出信號較弱。

6)巨磁電阻傳感器

GMR效應(yīng)是在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)的新效應(yīng)，當(dāng)相鄰磁性薄膜層間因相對磁化方向發(fā)生改變而導(dǎo)致磁電阻發(fā)生巨大變化的一種現(xiàn)象。GMR效應(yīng)導(dǎo)致的磁電阻變化可達(dá)70%，遠(yuǎn)高于AMR效應(yīng)。GMR傳感器的技術(shù)難點(diǎn)在于只有在很高的飽和場下才能獲得高的磁致電阻;如何將1/f噪聲降低到AMR效應(yīng)的相同水平是GMR的另一技術(shù)問題。采用磁聚集器(Magnetic Flux Concentrator)后，GMR已實(shí)現(xiàn)10 fT/Hz0.5(1 Hz，4.2 K條件下)的高靈敏度。

7)隧道磁電阻傳感器

TMR結(jié)構(gòu)與GMR相似均為三明治結(jié)構(gòu)，以兩層鐵磁性材料為電極，只是中間由非磁性金屬層改為金屬氧化物絕緣材料層。TMR傳感器是利用兩電極電子隧穿電阻的變化而制成的器件，其磁致電阻高達(dá)600%，靈敏度高是其主要特點(diǎn)，并兼具了AMR和GMR器件的優(yōu)點(diǎn)。1/f噪聲依然是TMR的技術(shù)難點(diǎn)。

AMR、GMR和TMR傳感器的制造工藝與半導(dǎo)體工藝兼容，易于集成，因而具有低功耗、輕質(zhì)量和小尺寸的優(yōu)勢，正符合小衛(wèi)星空間磁測量任務(wù)的需求，并已進(jìn)行多次空間飛行驗(yàn)證。此外，磁性測量傳感器還有多種類型，可參考文獻(xiàn)［3］。

4 磁阻傳感器空間應(yīng)用

1978年發(fā)射的MAGION-1只有15 kg，是第一個(gè)真正意義上的小衛(wèi)星，其目的是研究磁層和電離層。此衛(wèi)星尺寸為300×300×150 mm3，攜帶有矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行地磁場測量［4］。從此，空間用磁強(qiáng)計(jì)開始向微型化發(fā)展。擁有一個(gè)或幾個(gè)大盒子，功耗在數(shù)瓦量級的磁通門，逐步被具有相同磁測試功能的微傳感器所代替。實(shí)際上，微型傳感器因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)陣列化［5］，并配置了溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償，更適合應(yīng)用在某些領(lǐng)域，從而達(dá)到磁性能要求與空間分辨率的較佳搭配［6］。

ESA的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)衛(wèi)星正說明了這一趨勢。LISA任務(wù)目的是檢測黑洞產(chǎn)生的引力波。LISA凈磁條件要求十分嚴(yán)格，計(jì)劃之初，擬采用4個(gè)磁通門進(jìn)行磁環(huán)境的測量。但是，此方法很難獲得LISA內(nèi)部的磁場分布，最終ESA決定采用具有溫度補(bǔ)償?shù)墓虘B(tài)陣列磁傳感器(MR傳感器)替代磁通門磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁場測量［7］。

從上世紀(jì)90年代開始，60%以上的小衛(wèi)星采用了微型化磁傳感器進(jìn)行姿態(tài)控制，以UoSAT-1或OSCAR-9為標(biāo)志，隨后微型衛(wèi)星逐漸發(fā)展并成熟起來［8］。磁阻傳感器開始應(yīng)用于微小衛(wèi)星，如圖1所示。

目前小衛(wèi)星空間測量任務(wù)中，磁通門技術(shù)和MR技術(shù)均有應(yīng)用。圖1展示了AMR和GMR傳感器從基礎(chǔ)研究到空間應(yīng)用的歷史。AMR技術(shù)在上世紀(jì)90年代就已成熟，并在地面獲得了廣泛的應(yīng)用。GMR得益于大規(guī)模集成電路技術(shù)，獲得了飛速的發(fā)展。2003年，發(fā)射了幾顆搭載AMR的衛(wèi)星:美國的ION-F［9］，加拿大的 CanX-1［10，11］，Danish 的 DTUsat［12］和 AAU Cubesat［13］等。此外，西班牙的 NANOSAT、挪威的 NCubes、日本的CUTE1.7和美國的ION［14］均采用了Honeywell公司生產(chǎn)的AMR磁傳感器。西班牙空間技術(shù)國家研究所(INTA)正在為OPTOS開發(fā)微型化的GMR三軸傳感器［15］。INTA同時(shí)也在為納米衛(wèi)星NANOSAT-1B開發(fā)三軸磁電感傳感器。兩顆星的磁分辨率為10 nT。這些MR傳感器部分執(zhí)行空間磁場測量任務(wù)，部分則擔(dān)負(fù)著小衛(wèi)星的姿態(tài)控制任務(wù)。TMR技術(shù)由于起步較晚，目前尚未見到空間應(yīng)用的報(bào)道，但美國軍方已經(jīng)研制成功分辨率高達(dá)pT量級TMR傳感器，并將其列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。除上述應(yīng)用外，早在上世紀(jì)，NASA劉易斯研究中心就開始采用GMR技術(shù)，為ISS結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件進(jìn)行無損探傷檢測［16］。

圖1 MR傳感器空間應(yīng)用歷程

總的來說，微型化磁電阻傳感器作為新興起的磁測量技術(shù)，與磁通門相比在地磁測量方面，穩(wěn)定性和分辨率稍差，但是在重量、功耗及尺寸方面占據(jù)著絕對的優(yōu)勢，在航天器的微型化發(fā)展過程中有著無可替代的作用。

5 結(jié)語

就微型磁阻傳感器的空間應(yīng)用而言，空間磁場測量是其應(yīng)用方向之一，當(dāng)需要精確測繪某一區(qū)域的磁場和需要高空間分辨率時(shí)，陣列化的MR傳感器更具優(yōu)勢，可輕易實(shí)現(xiàn)局部磁場的點(diǎn)測量，較磁通門更適合于空間磁場測繪;其次，微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制更適合采用微型磁阻傳感器;最后，根據(jù)NASA經(jīng)驗(yàn)，空間大型航天器結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件的無損探傷，深空探測任務(wù)將是今后微型磁阻傳感器較有潛力的應(yīng)用方向。

當(dāng)然，新技術(shù)在空間的使用過程需要經(jīng)過反復(fù)考驗(yàn)和測試，以保證其可靠性。在技術(shù)不成熟時(shí)，空間應(yīng)用成本將十分昂貴，但是磁電阻傳感器的發(fā)展及其競爭力已經(jīng)展現(xiàn)出在小型化航天器中應(yīng)用的良好勢頭。

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