一体式平面化三轴磁传感器及其应用方法与流程

1.本发明涉及微弱磁场测量，具体涉及一种一体式平面化三轴磁传感器及其应用方法。


背景技术：

2.微弱磁场测量在地磁导航、目标探测、地质勘探、生物医学等领域都有广泛应用。三轴磁传感器能够直接获取磁场的三分量信息，可以计算传感器的倾角和方位角，在导航、定资定位方面具有更广阔的应用前景。同时，随着微弱磁场探测、搭载平台小型化等要求的不断提高，磁传感器技术呈现出高分辨力、小型化等发展趋势。
3.现有的三轴磁传感器按工作原理可以分为霍尔磁传感器、磁通门传感器、洛伦兹力磁传感器和磁电阻类传感器等。磁电阻类传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性高、线性范围宽等优势，具有发展成为小型化高性能三轴磁传感器的巨大潜力。但是磁电阻元件的探测精度(pt—nt量级)相比于squid及光泵磁力仪等高灵敏度磁传感器(ft量级)仍有较大差距。
4.三轴磁传感器按实现方式可以分为组装式和一体式。组装方式的三轴磁传感器主要分为单轴加双轴组装及三个单轴组装两种方式，组装式三轴磁传感器的三轴正交性依赖于组装精度，其正交性难以保证，并且难以满足小体积、低功耗等需求。一体式三轴磁传感器可以采用mems工艺进行制造，在体积、重量、可靠性、功耗、三轴正交性等方面具有较大的优势。实现一体式三轴磁传感器主要有两种方法，第一种是把磁传感器制作在基底的斜面上，例如，美国专利文献us7564237提出将垂直方向磁场测量单元放置在斜面上，与平面内两个水平方向磁场测量单元共同实现三轴测量。这种实现方法比较复杂，且各个磁传感器元件之间的一致性难以保证。第二种是用磁力线转向结构改变磁力线方向后测量，例如，美国专利文献us7505233b2提出在磁电阻原件两侧添加软磁材料聚集器，把垂直平面的磁力线部分的折到平面内测量；美国专利文献us20120200292a1也是采用了类似的实现方式，提出在磁电阻敏感元件旁边放置软磁快。但是，保证软磁块的结构对称性和性能一致性且实现器件整体的小型化是一个难点。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题：针对现有技术存在的三轴磁传感器探测精度不足，三轴测量实现一致性差等问题，提供一种一体式平面化三轴磁传感器及其应用方法，本发明能够实现三轴磁场的聚集放大和平面化高精度测量，且能够有效提高三轴正交性，具有分辨力高、体积小、实现简单的优点。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种一体式平面化三轴磁传感器，包括分别设于承载部件上且位于同一平面内的四个磁测量复合器件，所述磁测量复合器件包括磁变轨单元、环形超导磁通聚集器和磁电阻测量单元，所述环形超导磁通聚集器夹持布置于磁变轨单元中，所述环形超导磁通聚集
器上带有窄区，所述磁电阻测量单元布置于窄区的一侧，所述四个磁测量复合器件中一对磁测量复合器件的磁变轨单元与另一对磁测量复合器件的磁变轨单元相互垂直布置，一对磁测量复合器件的磁变轨单元之间相互平行布置。
8.可选地，所述磁变轨单元包括平行布置的上方磁变轨单元和下方磁变轨单元，所述环形超导磁通聚集器夹持布置于上方磁变轨单元和下方磁变轨单元之间，且所述窄区布置在上方磁变轨单元和下方磁变轨单元之间的外侧。
9.可选地，所述上方磁变轨单元和下方磁变轨单元均为长方体结构，所述上方磁变轨单元和下方磁变轨单元两者交错摆放且相对环形超导磁通聚集器的结构中心点为中心呈中心对称分布，使得上方磁变轨单元和下方磁变轨单元靠近环形超导磁通聚集器的一端覆盖环形超导磁通聚集器的一侧且刚好覆盖在环形超导磁通聚集器的内环上。
10.可选地，所述上方磁变轨单元和下方磁变轨单元采用高磁导率的软磁材料制成，且通过低温胶键合的方式固定在环形超导磁通聚集器的侧面。
11.可选地，所述环形超导磁通聚集器包括基片和生长在基片上且通过刻蚀形成的超导薄膜，且所述超导薄膜表面镀有金保护层。
12.可选地，所述环形超导磁通聚集器为正方形环状结构，且内环边长与外环变长比值为0.5-0.7，窄区的宽度为2-20微米。
13.可选地，所述磁电阻测量单元为隧道结磁电阻敏感单元。
14.可选地，所述磁电阻测量单元与环形超导磁通聚集器的距离为2微米以内。
15.此外，本发明还提供一种前述的一体式平面化三轴磁传感器的应用方法，包括：
16.1)在被检测磁场中，分别获取四个磁测量复合器件中一对磁测量复合器件输出的磁场信号b1和b3、另一对磁测量复合器件输出的磁场信号b2和b4；其中，输出的磁场信号b1和b3的一对磁测量复合器件的磁变轨单元布置于被检测磁场的三维坐标系下的x轴方向，输出的磁场信号b2和b4的一对磁测量复合器件的磁变轨单元布置于被检测磁场的三维坐标系下的y轴方向；
17.2)基于下式解算得到被检测磁场在x、y、z三个方向分量分别为bx、by、bz的大小：
[0018][0019][0020]
或
[0021]
上式中，g为环形超导磁通聚集器(12)的放大倍数，μ为磁变轨单元(11)的x,y轴变轨效率，λ为磁变轨单元(11)的z轴变轨效率。
[0022]
此外，本发明还提供一种前述的一体式平面化三轴磁传感器的制备方法，包括磁测量复合器件的制备步骤：
[0023]
s1)环形超导磁通聚集器的基片生长超导薄膜；
[0024]
s2)在超导薄膜表面镀金保护层；
[0025]
s3)对超导薄膜表面的金保护层以及基片上生长的超导薄膜进行刻蚀成形，形成环形超导磁通聚集器；
[0026]
s4)在环形超导磁通聚集器的窄区的一侧安装磁电阻测量单元；在环形超导磁通
聚集器的两侧分别通过低温胶键合上方磁变轨单元和下方磁变轨单元，所述上方磁变轨单元和下方磁变轨单元两者交错摆放且相对环形超导磁通聚集器的结构中心点为中心呈中心对称分布，使得上方磁变轨单元和下方磁变轨单元靠近环形超导磁通聚集器的一端刚好覆盖在环形超导磁通聚集器的内环上，从而得到磁测量复合器件的成品。
[0027]
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
[0028]
1、本发明的一体式平面化三轴磁传感器包括分别设于承载部件上且位于同一平面内的四个磁测量复合器件，所述磁测量复合器件包括磁变轨单元、环形超导磁通聚集器和磁电阻测量单元，所述环形超导磁通聚集器夹持布置于磁变轨单元中，所述环形超导磁通聚集器上带有窄区，所述磁电阻测量单元布置于窄区的一侧，所述四个磁测量复合器件中一对磁测量复合器件的磁变轨单元与另一对磁测量复合器件的磁变轨单元相互垂直布置，一对磁测量复合器件的磁变轨单元之间相互平行布置，通过上述结构，能够实现三轴磁场的聚集放大和平面化高精度测量，实现了三轴磁场的一体化、平面化测量和聚集放大，有效提升了三轴一体化程度、正交性和磁场测量灵敏度，具有灵敏度高、分辨力高、体积小、实现简单的优点。
[0029]
2、本发明的一体式平面化三轴磁传感器包括分别设于承载部件上且位于同一平面内的四个磁测量复合器件，磁测量复合器件为一体式结构，四个磁测量复合器件再次设于承载部件上构成一体式结构，从而可保证结构对称性、性能一致性,实现器件整体的小型化。
[0030]
3、本发明采用磁电阻测量单元来进行磁测量，磁电阻测量单元自身具有高灵敏度，超导磁通聚集器可以对磁场进行几百倍甚至更高的放大，从而进一步提高磁电阻测量单元探测磁场的灵敏度。
[0031]
4.本发明结构可采用mems工艺制备，易保证磁场测量的正交性，且具有体积小、功耗低、实现简单的优点。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例一中一体式平面化三轴磁传感器的立体结构示意图。
[0033]
图2为本发明实施例一中四个磁测量复合器件的排布结构示意图。
[0034]
图3为图2中区域a的局部放大结构示意图。
[0035]
图例说明：1、磁测量复合器件；11、磁变轨单元；111、上方磁变轨单元；112、下方磁变轨单元；12、环形超导磁通聚集器；121、窄区；13、磁电阻测量单元；2、承载部件。
具体实施方式
[0036]
实施例一：
[0037]
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种一体式平面化三轴磁传感器，包括分别设于承载部件2上且位于同一平面内的四个磁测量复合器件1，磁测量复合器件1包括磁变轨单元11、环形超导磁通聚集器12和磁电阻测量单元13，环形超导磁通聚集器12夹持布置于磁变轨单元11中，环形超导磁通聚集器12上带有窄区121，磁电阻测量单元13布置于窄区121的一侧，四个磁测量复合器件1中一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11与另一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11相互垂直布置，一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11之间相
互平行布置。本实施例一体式平面化三轴磁传感器的工作原理为：通过采用磁变轨单元11将水平方向的磁场转换到垂直于环形超导磁通聚集器12方向使得磁力线垂直穿过环形超导磁通聚集器12，再由磁电阻测量单元13测得此时一个水平方向和垂直方向叠加在一起的放大磁场。为了实现三轴磁场测量，对磁变轨单元11进行组合设计，四个磁测量复合器件1中一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11与另一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11相互垂直布置，一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11之间相互平行布置，例如其中两组磁变轨单元11实现对x方向磁场转换，即磁变轨单元11长边沿x方向，通过控制磁变轨单元11安装位置分别在两组中实现将x方向磁场垂直向上和垂直向下转向，即可将垂直磁场和x方向磁场同时解算出来，对y方向磁场同样采用两组磁变轨单元11，即可实现对三维磁场的测量。
[0038]
本实施例中，承载部件2用于承载固定四个磁测量复合器件1，具体可采用硅片、pcb电路板，或者其他基材。例如，本实施例中一体式平面化三轴磁传感器为mems器件，承载部件2采用硅片作为承载部件2。
[0039]
需要说明的是，三个磁测量复合器件1是用于实现三轴磁传感检测的最低数量要求，但是可以依据冗余的原则布置更多的磁测量复合器件1，本发明方法中采用四组可实现差分计算，提高测量精度。
[0040]
如图1所示，本实施例的磁变轨单元11包括平行布置的上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112，环形超导磁通聚集器12夹持布置于上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112之间，且窄区121布置在上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112之间的外侧。
[0041]
本实施例中，上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112均为长方体结构，上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112两者交错摆放且相对环形超导磁通聚集器12的结构中心点为中心呈中心对称分布，使得上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112覆盖环形超导磁通聚集器12的一侧且靠近环形超导磁通聚集器12的一端刚好覆盖在环形超导磁通聚集器12的内环上,而磁变轨单元11覆盖在环形超导磁通聚集器12没有窄区121的一段。上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112两者交错摆放，使得上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112的一端分别对应环形超导磁通聚集器12的一边，这样当有y方向磁场输入时，磁变轨单元11将磁场转向z方向，转换后的z方向磁场可以尽可能多的穿过环形超导磁通聚集器12，从而提升变轨效率，对于x方向输入的磁场同理。其中，上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112的厚度尽量厚，长度尽量长，且上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112的间隙尽量小，以提高磁变轨效率。
[0042]
本实施例中，上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112采用高磁导率的软磁材料制成，且通过低温胶键合的方式固定在环形超导磁通聚集器12的侧面。
[0043]
本实施例中，环形超导磁通聚集器12包括基片和生长在基片上且通过刻蚀形成的超导薄膜，且超导薄膜表面镀有金保护层。
[0044]
其中，基片可根据需要采用lao或mgo基片，基片厚度为3-5毫米或者更薄，超导薄膜厚度为300-2000纳米。本实施例中，超导薄膜具体采用ybco薄膜，此外也可以根据需要采用其他超导材料制成的超导薄膜。金保护层一般为100-200nm厚。
[0045]
本实施例中，环形超导磁通聚集器12为正方形环状结构，且内环边长与外环变长比值为0.5-0.7，窄区121的宽度为2-20微米。
[0046]
本实施例中，磁电阻测量单元13为隧道结磁电阻敏感单元。
[0047]
本实施例中，磁电阻测量单元13与环形超导磁通聚集器12的距离为2微米以内。
[0048]
此外，本实施例还提供一种前述的一体式平面化三轴磁传感器的应用方法，包括：
[0049]
1)在被检测磁场中，分别获取四个磁测量复合器件1中一对磁测量复合器件1输出的磁场信号b1和b3、另一对磁测量复合器件1输出的磁场信号b2和b4；其中，输出的磁场信号b1和b3的一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11布置于被检测磁场的三维坐标系下的x轴方向，输出的磁场信号b2和b4的一对磁测量复合器件1的磁变轨单元11布置于被检测磁场的三维坐标系下的y轴方向；
[0050]
2)基于下式解算得到被检测磁场在x、y、z三个方向分量分别为bx、by、bz的大小：
[0051][0052][0053]
或
[0054]
上式中，g为环形超导磁通聚集器12的放大倍数，μ为磁变轨单元11的x,y轴变轨效率，λ为磁变轨单元11的z轴变轨效率。上述函数表达式推导过程如下：
[0055]
对于三维磁场，假设输入磁场在x、y、z三个方向分量分别为bx、by、bz，经过变轨结构作用后分别为bx’、by’、bz’，假设x、y轴变轨效率为μ，z轴变轨效率为λ，超导磁通聚集器放大倍数为g，即bx’＝μbx，by’＝μby，bz’＝λbz。假定图1中12点钟方向的磁测量复合器件1为#1号，顺时针方向分别为#2号、#3号和#4号，则有：
[0056]
#1号磁测量复合器件1输出的磁场信号b1为：
[0057]
b1＝g(bz’ bx’)＝g(λbz μbx)，(4)
[0058]
#2号磁测量复合器件1输出的磁场信号b2为：
[0059]
b2＝g(bz
’‑
by’)＝g(λbz-μby)，(5)
[0060]
#3号磁测量复合器件1输出的磁场信号b3为：
[0061]
b3＝g(bz
’‑
bx’)＝g(λbz-μbx)，(6)
[0062]
#4号磁测量复合器件1输出的磁场信号b4为：
[0063]
b4＝g(bz’ by’)＝g(λbz μby)，(7)
[0064]
由式(4)(6)可知：
[0065][0066]
由式(5)(7)可知：
[0067][0068]
从而可以得到式(1)～(3)所示被检测磁场在x、y、z三个方向分量分别为bx、by、bz的大小的计算函数表达式。
[0069]
为了验证前述的一体式平面化三轴磁传感器的应用方法，本实施例中采用了仿真的方法，包括：
[0070]
首先建立包括四个磁测量复合器件1以及圆柱空气域的三维模型，定义材料属性和结构特性参数，超导环材料属性中电场模满足下式所示的e-j幂次定律：
[0071][0072]
其中，e是超导结构的电场模，ec和n是影响超导结构零电阻率转变的非线性过程的常数，j是超导环的电流密度，jc是临界电流密度。定义材料属性和结构特性参数时，环形超导磁通聚集器12的超导环材料属性中除电场模以外还包括超导环的相对介电常数、相对磁导率、电导率以及电流密度模，电流密度模的函数表达式为：
[0073][0074]
其中，j1～j3分别表示三维坐标系中xyz方向的电流密度。
[0075]
空气域和变轨结构的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率.其中超导结构的相对介电常数、相对磁导率、电导率，以及空气域的相对介电常数、相对磁导率、电导率均为常数。超导结构、变轨结构和空气域的结构性参数包括结构参数和e-j特性参数，结构参数包括超导结构外径_r0、超导环内径ri、窄区的长度w、超导环结构的厚度d、空气域的半径ra以及空气域的高度h。e-j特性参数包括e-j幂次定律中影响超导结构零电阻率转变的非线性过程的常数ec和n、临界电流密度jc。
[0076]
然后，对三维模型进行网格划分，利用磁场公式计算模块仿真计算任意三维磁场经超导结构与磁变轨结构作用后在四组窄区附近产生的磁场，分别控制输入磁场为两个方向磁场不变，另一个方向磁场变化，仿真计算得到相应的四组窄区附近产生的磁场，列出输出磁场关于三个方向输入磁场的关系式，实现三维磁场的解算。经过验证，证实了前述的一体式平面化三轴磁传感器的应用方法的可行性和准确性。
[0077]
此外，本实施例还提供一种前述的一体式平面化三轴磁传感器的制备方法，包括磁测量复合器件1的制备步骤：
[0078]
s1)环形超导磁通聚集器12的基片生长超导薄膜；
[0079]
s2)在超导薄膜表面镀金保护层；
[0080]
s3)对超导薄膜表面的金保护层以及基片上生长的超导薄膜进行刻蚀成形，形成环形超导磁通聚集器12；
[0081]
s4)在环形超导磁通聚集器12的窄区121的一侧安装磁电阻测量单元13；在环形超导磁通聚集器12的两侧分别通过低温胶键合上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112，上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112两者交错摆放且相对环形超导磁通聚集器12的结构中心点为中心呈中心对称分布，使得上方磁变轨单元111和下方磁变轨单元112靠近环形超导磁通聚集器12的一端刚好覆盖在环形超导磁通聚集器12的内环上，从而得到磁测量复合器件1的成品。此外，根据三轴磁传感器的形式不同，磁测量复合器件1的成品与承载部件2的结合方式也各不相同，例如本实施例中三轴磁传感器为mems部件时，可采用键合的方式，将四个磁测量复合器件1的成品键合固定在承载部件2(硅片)上。
[0082]
实施例二：
[0083]
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别为：本实施例中一体式平面化三轴磁传感器为常规元器件(非mems器件)，承载部件2采用pcb电路板，其中，pcb电路板既可以采用刚性pcb电路板，也可以根据需要采用柔性pcb电路板。制备磁测量复合器件1时，可以根据需要采用焊接、粘结或其他固定方式固定在承载部件2上。
[0084]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施
例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。