高性能隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成技术研究

发布时间：2020-07-27 00:12

【摘要】：与霍尔器件,各向异性磁阻,巨磁阻等磁强计相比,采用磁性多层膜材料研制的微型隧穿磁阻传感器(Tunneling Magnetic Resistance)具备灵敏度高、频响大、可靠性好等优点,在军事和民用领域有着广泛的应用。微型隧穿磁阻传感器芯片集成研究成为主要的发展方向之一,因此开展高性能数字化隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成化研究具有重要意义。隧穿磁阻传感器在高性能研究中存在如下关键问题:隧穿磁阻传感器本底噪声较大,影响其最小磁场分辨力;隧穿磁阻传感器中大的磁隧穿结面积可以提高其灵敏度,但同时其输出温度漂移严重;隧穿磁阻传感器接口电路仍处于分立器件PCB集成,接口ASIC芯片集成问题尚待解决。为解决相应问题本文研究了隧穿磁阻传感器敏感结构的噪声特性和温度特性,开展了微型隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成技术研究。从隧穿磁阻传感器敏感结构隧穿机理分析传感器的噪声特性,建立隧穿磁阻传感器敏感结构的噪声模型。从而得出隧穿磁阻传感器敏感结构噪声频谱,由于在地磁场磁信号测量中,信号为低频弱磁信号,隧穿磁阻传感器在低频处的主要噪声是磁畴壁热激发引起的噪声,采用常规电路高频调制方法不能降低其噪声,从而提出一种磁屏蔽型斩波调制的降噪方法。通过分析斩波电流幅值以及斩波电流频率与灵敏度的关系,确定最佳斩波电流参数,采用磁屏蔽型斩波调制方法使隧穿磁阻传感器敏感结构本底噪声从7.5n T/Hz1/2(@1Hz)降至0.15n T/Hz1/2(@1Hz),验证了方法的有效性。针对隧穿磁阻传感器敏感结构温度漂移问题,本文从磁性隧穿结电子自旋极化温度特性分析,得出隧穿磁阻传感器敏感结构灵敏度、零位与温度关系,从而提出一种基于数字处理芯片最小二乘算法的数字化补偿方法来实现高精度、高可靠性的实时温度补偿,有效地解决了隧穿磁阻传感器温漂问题。在隧穿磁阻传感器敏感结构噪声特性和温度特性理论分析的基础上,设计并实现了一款高性能隧穿磁阻传感器数字化接口ASIC芯片,芯片主要包含前级低噪声微弱信号检测电路和高精度四阶Sigma-Delta ADC。通过对接口电路各关键模块的非理想特性分析,优化设计电路中各参数。借助于Cadence仿真和0.35μm四层金属双多晶BCD工艺库完成版图设计与后仿真工作,采用上海华虹标准0.35μm CMOS工艺完成工程批流片。最后,建立高精度测试系统分别对接口ASIC芯片和隧穿磁阻磁强计整机进行了测试。测试结果表明,在-45~+85℃的温度范围内,温度补偿前后TMR微磁强计的灵敏度温漂系数从-1100ppm/℃降至-117ppm/℃;磁场测量量程为±100μT;功耗120m W(三轴);数字TMR磁强计系统噪声水平达0.26n T/Hz1/2(@1Hz);非线性0.11%;设计的TMR微磁强计样机数字输出后端还集成了数字串口芯片,可完成与PC机实时数据通讯,并通过上位机软件实现了非线性、零位、温度补偿与校准功能,实现了高性能微型隧穿磁阻传感器芯片集成。本文开展的隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成技术研究对高性能TMR微磁强计集成技术进步具有重要的推动作用,对隧穿磁阻传感器的集成化和微型化具有重要意义,在高精度磁探测领域有着广阔的应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212
【图文】：

磁电子学,多层膜结构,磁阻传感器,磁强计

第 1 章绪论1.1 课题背景地球是一个巨大的磁源，周围分布着十分微弱的磁场（大约 50μT），地磁场和地球的方位之间存在着对应关系，如果我们能准确测量出地磁场信息就可以实现高精度的全球定位导航，这对于军事领域中隐蔽型作战装备（如水下潜艇、隐形飞机等）具有重要战略意义[1]。导磁性物体可以改变周围附近地磁场的分布而产生磁异常信号，如果能准确获取这个磁异常信号，就可以准确地捕获该目标物体的位置、大小等信息[2]。磁异信号探测系统如图 1-1 所示在微纳卫星、无人机反潜、弹药引信、地质勘探、排雷排爆、交通监测等军事和民用领域都具有重要应用价值[3]。在地磁场信号和磁异常场信号检测中，磁信号十分微弱且变化频率很低（1Hz 左右），这对于磁信号探测系统低频磁场检测能力提出极高要求，如何有效获取地磁场和磁异常场信息已成为问题的关键。

磁通门,ASIC芯片,闭环

哈尔滨工业大学研究团队的董长春[14]等人研制了三轴磁通门探头与闭环接口 ASIC 芯片双片集成。如图1-2 所示，磁通门传感器通过在磁屏蔽环境的测试，其主要性能参数可达：量程为 100μT，灵敏度为 30.8mV/μT，噪声为 3nT/Hz1/2（@1Hz），非线性为 0.062%。其整体性能达到了一定的高度。但磁通门的灵敏度、噪声等性能受到磁芯面积的限制，很难实现微型化[15]。其体积、功耗以及噪声等方面无法满足本课题微纳卫星磁载荷的要求。图 1-2 闭环磁通门系统与接口 ASIC 芯片[14]Fig.1-2 Closed-loop flux gate system and interface ASIC chip[14]微型原子磁力仪是最近几年刚刚起步研究的磁传感器，技术尚处于研究阶段。原子磁力仪基本检测原理是利用激光抽运使加热后的碱金属蒸汽原子达到特定自旋状态，蒸汽原子的自旋方向与外磁场密切相关，再利用光学方法检测自旋变化的方法来实现对外磁场的探测[16]。其低频磁场探测能力可达数

磁阻效应,隧穿,磁阻传感器,固态传感器

哈尔滨工业大学工学博士学位论文1/2(@1Hz),但原子磁力仪的应用存在一定的局限性：（1）没有方向敏法完成三分量磁场测量；（2）在传感器的工艺制造和接口电路信号检比其他集成微型磁传感器制备困难[17]。穿磁阻传感器（TMR）是继各向异性磁阻传感器和巨磁阻传感器之后发的一类新型磁阻传感器。Julliere 首先在实验室利用 Co/Ge/Fe 三明现了隧穿磁阻效应，利用 Co 作为自由层，Ge 作为绝缘层，Fe 作为如下图 1-3 所示，自由层上磁化方向可以改变，而参考层要求磁化方中间是厚度为 1~2nm 的薄绝缘层将两个磁化层隔开[18]，当有外界环用时，电子就可以从一个磁化层隧穿到另一磁化层。起初的隧穿磁阻左右，后续经过多个高校和研究机构的改进，通过改变铁磁层与绝缘来增加磁阻变化率，从 Co/Ge/Fe、Fe/A12O3/Fe 以及 CoFeB/MgO/CoF磁阻变化率也从起初的 40%到 600%以上。

【相似文献】