巨磁阻抗微型磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)研究*

王江濤，潘海林，張 清

(華東師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件工程學(xué)院·上?！?00062)

0 引 言

自從我國(guó)在2014年明確提出推進(jìn)民營(yíng)商業(yè)資本進(jìn)入航天領(lǐng)域，越來(lái)越多的商業(yè)公司便進(jìn)入到了航天市場(chǎng)，拉開(kāi)了我國(guó)商業(yè)航天時(shí)代的序幕。從國(guó)家頒布的《關(guān)于促進(jìn)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干意見(jiàn)》來(lái)看，可以預(yù)估我國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的規(guī)模至2020年可達(dá)5560億元以上，帶動(dòng)上下游經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值可望突破萬(wàn)億元規(guī)模。從全球來(lái)看，發(fā)達(dá)國(guó)家的眾多衛(wèi)星星座計(jì)劃開(kāi)始進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段，小衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)需求也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)今后幾年內(nèi)的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量會(huì)達(dá)到一個(gè)高峰。據(jù)SpaceWorks數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)測(cè)，2018年到2023年，全球?qū)l(fā)射質(zhì)量在1～50kg的微納衛(wèi)星近2400顆；同時(shí)NSR也預(yù)測(cè)，在未來(lái)6～7年，全球?qū)l(fā)射約2200顆質(zhì)量在100kg以下的微小衛(wèi)星。由此可見(jiàn)，微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星將成為未來(lái)商業(yè)航天的發(fā)展熱點(diǎn)。這種發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)星載導(dǎo)航控制載荷提出了高性能、低質(zhì)量、低功耗的要求。多種技術(shù)可以作為星載導(dǎo)航的控制載荷，起到衛(wèi)星姿態(tài)控制作用[1-2]。這其中，磁羅盤(pán)技術(shù)在確保精度要求的前提下具有載荷小、功耗低和成本低的優(yōu)勢(shì)。

從現(xiàn)有的磁探測(cè)技術(shù)來(lái)看，傳統(tǒng)的磁通門(mén)測(cè)量設(shè)備具有較高的精度和穩(wěn)定性，在各類衛(wèi)星上有較為廣泛的應(yīng)用[3]。但是，磁通門(mén)設(shè)備由于受到結(jié)構(gòu)因素的制約，體積和功耗無(wú)法再減小，與集成芯片化的載荷需求存在一定的距離。在市場(chǎng)上現(xiàn)有的磁場(chǎng)傳感器芯片中，霍爾效應(yīng)器件可以實(shí)現(xiàn)較小的功耗和體積。但是，霍爾效應(yīng)器件的靈敏度較低，無(wú)法滿足高精度的導(dǎo)航需求。近年來(lái)，也有采用磁阻芯片用于衛(wèi)星導(dǎo)航的報(bào)導(dǎo)[4]。磁阻芯片具有功耗和體積較小、靈敏度相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)，在一些應(yīng)用場(chǎng)合中可以取代磁通門(mén)設(shè)備。但是，磁阻器件在反復(fù)測(cè)量時(shí)會(huì)有較大的磁滯效應(yīng)，限制了它在高性能需求場(chǎng)景中的應(yīng)用。

本文介紹了一種可以微型化的三軸磁強(qiáng)計(jì)，通過(guò)高頻感應(yīng)熔融快淬法制備高磁導(dǎo)率的巨磁阻抗(GMI)鈷基絲，并用適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に囀共牧线_(dá)到較好的磁結(jié)構(gòu)狀態(tài)；采用非線性非對(duì)角驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)材料制備巨磁阻抗(GMI)敏感元件，并設(shè)計(jì)專門(mén)的傳感器驅(qū)動(dòng)電路，使敏感元件運(yùn)行在最佳的工作條件下。采用相敏檢波電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波，使探測(cè)器獲得極高的靈敏度。使用SOI工藝對(duì)器件進(jìn)行集成化，該工藝芯片具有速度高、功耗低、抗輻照特性好、集成密度高、工作溫度范圍大、工藝成本低等優(yōu)點(diǎn)。最后，芯片采用QFN封裝，實(shí)現(xiàn)了體積小、質(zhì)量小、低功耗的目標(biāo)。

1 磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)思路

1.1 敏感元件制備

本文研究的傳感器采用了Co基非晶絲，用非線性非對(duì)角化方式產(chǎn)生GMI效應(yīng)，相對(duì)于其他方式具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)對(duì)敏感元件的磁化程度，GMI傳感器可分為線性和非線性方式。其中，非線性方式由于可以消除信號(hào)對(duì)外磁場(chǎng)的磁滯而備受關(guān)注。根據(jù)信號(hào)探測(cè)方式，GMI傳感器又可分為對(duì)角化(從敏感元件兩端拾取)和非對(duì)角化(利用繞在元件上的線圈拾取)[5]兩種。非線性非對(duì)角化探測(cè)方式是驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)敏感元件的兩端，從繞在元件上的線圈拾取信號(hào)，不僅減少了相互干擾，而且線圈本身可以通直流而產(chǎn)生偏磁場(chǎng)，使敏感元件工作在最敏感區(qū)域，可以靈敏地測(cè)量弱磁場(chǎng)[6]。圖1是傳感器示意圖，傳感器包括一個(gè)敏感元件，一個(gè)交流電源，一個(gè)繞在敏感元件上的線圈，線圈并聯(lián)一個(gè)電容共同構(gòu)成信號(hào)拾取電路。

圖1 敏感元件示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensitive elements

傳感器輸出信號(hào)如下。其中，Vφ為線圈中得到的信號(hào)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，有

(1)

(2)

設(shè)f=2r/d，變換積分變量，可得

(3)

mφ=Mφ/M=cosθ,mz=Mz/M=sinθ
hφ(r,t)=Hφ(r,t)/Ha,he=He/Ha

(4)

其中：N為線圈匝數(shù)，ω為通過(guò)材料絲的驅(qū)動(dòng)電流的角頻率,I0為驅(qū)動(dòng)電流的幅值,d是玻璃包裹絲的直徑，r是指絲內(nèi)部的某一點(diǎn)距離玻璃包裹絲中心軸的垂直距離。Hφ(r,t)是用來(lái)描述絲中驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在空間和時(shí)間中分布的物理量。M是絲的飽和磁化強(qiáng)度，Mφ是絲的環(huán)向磁化強(qiáng)度，Mz是絲的軸向磁化強(qiáng)度，Ha是玻璃包裹絲的環(huán)向各向異性場(chǎng)。θ是磁化矢量和絲環(huán)向易磁化方向軸的夾角，He是沿軸向的外加直流磁場(chǎng)。其中，mφ是ω和t的函數(shù)。由式(4)可知，傳感器的輸出信號(hào)是由he、I0、ω、t幾個(gè)變量決定的，也就是說(shuō)傳感器的輸出信號(hào)是由驅(qū)動(dòng)信號(hào)和外磁場(chǎng)決定的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定以后，傳感器的輸出信號(hào)便和外磁場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)。

1.2 相敏檢波電路設(shè)計(jì)

采用圖2所示的電路框圖，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的拾取、相敏檢波，反饋主要進(jìn)一步提高靈敏度和溫度可靠性。偏置和反饋線圈的目的是讓探頭工作在最敏感區(qū)域，提高靈敏度。在基于GMI效應(yīng)的弱磁磁強(qiáng)計(jì)研發(fā)方面，采用的先進(jìn)技術(shù)包括：(1)二次諧波；(2)諧振；(3)相敏檢波；(4)負(fù)反饋。這4種技術(shù)均有利于靈敏度和線性度的提高，技術(shù)(4)有利于溫度特性和線性度的提高。

圖2 電路設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Circuit design block diagram

1.3 微型三軸磁強(qiáng)計(jì)電路集成化

將芯片劃分為低溫度系數(shù)恒流源、高性能運(yùn)放、高頻振蕩器、數(shù)字?jǐn)夭ㄆ?、有源濾波器、直流放大器等幾個(gè)子功能模塊。采用SOI工藝將電路各部分進(jìn)行集成化。電路原理圖如圖3所示。由于研制的GMI傳感器敏感元件工作在交流條件下，加之元件本身并非純電阻電路，而且在外磁場(chǎng)的變化下其阻抗還會(huì)發(fā)生一定的變化，因此就需要一套專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)信號(hào)是正弦信號(hào)，該系統(tǒng)可以非常方便地改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小和頻率，來(lái)適應(yīng)敏感元件阻抗的變化，使其一直工作在最佳的工作狀態(tài)下。模擬信號(hào)處理電路通過(guò)振蕩電路產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次分頻電路，分別分出了一個(gè)四分頻和一個(gè)二分頻信號(hào)，四分頻信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)制成同頻率同相位的正弦波，以驅(qū)動(dòng)敏感元件，調(diào)整合適的工作條件，使得敏感元件產(chǎn)生二次諧波。之后，該信號(hào)就可以被與由二分頻產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比較。由于二分頻的信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)是同相位的，所以它和二次諧波信號(hào)也是同一相位的。通過(guò)二分頻的信號(hào)來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)，便可以對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行相敏檢波，可以鎖定信號(hào)中某個(gè)相位的信號(hào)進(jìn)行分析，大大提高傳感器的信號(hào)識(shí)別力和靈敏度。

圖3 電路原理圖Fig.3 The circuit principle diagram

在此電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用SOI工藝對(duì)傳感器電路進(jìn)行集成化。芯片的封裝采用24腳QFN封裝，如圖4左所示。3塊芯片敏感方向按照正交方式排布安裝構(gòu)成探測(cè)器,封裝后的探測(cè)器大小如圖4右所示。

圖4 芯片封裝和探測(cè)器Fig.4 Chip Packaging and Detector

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

對(duì)傳感器的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，方法為將被測(cè)微型磁強(qiáng)計(jì)置于零磁空間標(biāo)準(zhǔn)線圈內(nèi)的測(cè)試臺(tái)上并調(diào)整水平，為線圈加以0.5Gs的磁場(chǎng)，逐步調(diào)整傳感器敏感軸方向。當(dāng)傳感器輸出電壓為最大時(shí)，敏感軸與線圈磁場(chǎng)方向一致，然后給線圈分別加以不同電流，相對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0、±0.1Gs、±0.2Gs、±0.3Gs、±0.4Gs、±0.45Gs、±0.46Gs、±0.47Gs、±0.48Gs、±0.49Gs、±0.5Gs，記錄磁強(qiáng)計(jì)敏感軸方向的輸出電壓。如圖5所示，為磁強(qiáng)計(jì)敏感軸方向在±0.5Gs磁場(chǎng)環(huán)境下的電壓實(shí)現(xiàn)響應(yīng)輸出，可以看到在磁場(chǎng)強(qiáng)度為±0.5Gs時(shí)，敏感器的輸出電壓約為0～5V。測(cè)量結(jié)果表明，該傳感器的輸出電壓和外磁場(chǎng)在±0.5Gs范圍內(nèi)為一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，可以在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)正常工作(地磁場(chǎng)強(qiáng)度<0.5Gs)。

圖5 敏感軸磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.5 Dynamic response of sensitive axis to magnetic field

2.2 噪聲測(cè)試

(a) 傳感器輸出噪聲

(b) 噪聲紋波頻譜密度圖6 傳感器輸出信號(hào)噪聲Fig.6 Sensor Output Signal Noise

3 結(jié) 論