基于硅磁敏三极管空间磁场矢量传感器

柳微微，赵晓锋，温殿忠

(黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

在航空、航天、水下等环境中，为保障飞行器、水下航行器运动物体的定向运动，需要进行精确的导航。通过测量运动物体所在位置的空间环境磁场，利用地磁场空间分布可进行地磁导航，该方法应用广泛且适用于恶劣环境。近年来，随着微电子、新材料、新工艺和计算机等技术的快速发展，地磁导航技术发展到新阶段，尤其地磁导航中的空间磁场测量[1]被引起高度关注。目前，用于空间磁场矢量B测量的磁敏感元器件主要包括磁敏三极管[2-3]、霍尔元件[4-6]、巨磁电阻(GMR)[7-8]、隧穿磁电阻(TMR)和磁通门[9]等。由于磁敏感元器件均具有特定的磁敏感方向，为实现B的测量，多采用组合一种或几种磁敏感元器件，因此，空间磁场测量中出现各方向磁敏感元器件磁灵敏度不一致现象，严重影响测量精度。本文针对磁灵敏度不一致问题，以硅磁敏三极管作为磁敏器件，分别构成3个相同的磁敏感单元，采用组合式封装方法形成空间磁场矢量传感器以实现空间磁场矢量测量。

1 基本结构和工作原理

1.1 基本结构

空间磁场矢量传感器封装结构见图1。由图1可见，该结构由芯片Ⅰ、芯片Ⅱ(见虚线框插图)和2块印刷电路板(PCB板)组合而成，芯片Ⅰ和芯片Ⅱ以硅磁敏三极管作为磁敏感器件，磁敏感方向均平行于芯片表面。芯片Ⅰ上集成了4只硅磁敏三极管(SMST1、SMST2、SMST3、SMST4)，分别用于构成第一、第二磁敏感单元，芯片正面对应4个基极(B1～B4)、4个集电极(C1～C4)，背面为公共发射极(EⅠ)；芯片Ⅱ上集成了2只硅磁敏三极管(SMST5、SMST6)，用于构成第三磁敏感单元，芯片正面对应2个基极(B5、B6)、2个集电极(C5、C6)，背面为公共发射极(EⅡ)。芯片Ⅰ和芯片Ⅱ分别粘贴在PCB板Ⅰ和Ⅱ上，芯片Ⅰ上两个磁敏感单元敏感方向垂直，分别实现沿x方向、y方向外加磁场(Bx和By)的测量，芯片Ⅱ上z方向磁敏感单元与x方向、y方向磁敏感单元敏感方向相互垂直，可完成沿z方向外加磁场(Bz)的测量。

图1 空间磁场矢量传感器封装结构

1.2 工作原理

1.2.1 空间磁场矢量传感器等效电路

芯片Ⅰ和芯片Ⅱ磁敏感单元等效电路见图2，包括6只硅磁敏三极管、6个集电极负载电阻(RL1～RL6)和6个基极电阻(RB1～RB6)。集电极负载电阻和基极电阻一端连接电源电压(VDD)、另一端分别连接硅磁敏三极管的集电极(C1～C6)和基极(B1～B6)，集电极与集电极负载电阻连接端为硅磁敏三极管集电极输出电压(Vout1～Vout6)，硅磁敏三极管的发射极接地(GND)。由图2(a)可见，SMST1、SMST3、RL1、RL3构成的差分结构作为第一磁敏感单元(x方向磁敏感单元)，Vout1和Vout3的差值为x方向磁敏感单元差分输出电压Voutx；SMST2、SMST4、RL2、RL4构成的差分结构作为第二磁敏感单元(y方向磁敏感单元)，Vout2和Vout4的差值为y方向磁敏感单元差分输出电压Vouty，由图2(b)可见，SMST5、SMST6、RL5、RL6构成的差分结构作为第三磁敏感单元(z方向磁敏感单元)，Vout5和Vout6的差值为z方向磁敏感单元差分输出电压Voutz。

图2 磁敏感单元等效电路

1.2.2 空间磁场矢量传感器工作原理

在空间直角坐标系中建立了磁感应强度矢量B，B与z轴的夹角为γ，B在xy平面内的投影与y轴的夹角为φ，其在x轴、y轴和z轴上的分量分别为Bx、By和Bz,见图3。

图3 空间磁场矢量模型

根据矢量的分解，B可表示为

B=Bxi+Byj+Bzk

(1)

式中:Bx、By和Bz分别为B沿3个坐标轴方向的矢量分量。

由图3可得，Bx、By和Bz的表达式为

(2)

由式(1)和式(2)可得，B的模|B|为

(3)

当传感器放置于空间磁场环境中，综合分析传感器结构和磁敏感方向，在忽略磁灵敏度交叉干扰情况下，传感器x、y和z方向磁敏感单元输出电压(Voutx、Vouty和Voutz)表达式为

(4)

式中:Sxx、Syy和Szz分别为x、y和z磁敏感单元在Bx、By和Bz作用下的磁灵敏度。

根据磁灵敏度定义，由式(2)，Sxx、Syy和Szz可表示为

(5)

根据硅磁敏三极管的正反向磁敏感特性[10-11]，将SMST1和SMST3沿相反的磁敏感方向放置构成差分结构，在外加磁场Bx作用下，其输出电压Vout1和Vout3随Bx按照相反方向改变，由图2(a)可知，式(5)中Voutx为

Voutx=Vout1-Vout3=(VDD-IC1RL1)-(VDD-IC3RL3)=IC3RL3-IC1RL1=

ΔIC3RL3-ΔIC1RL1=ΔVout3-ΔVout1

(6)

式中:IC1和IC3分别为SMST1和SMST3的集电极电流，ΔIC1和ΔIC3分别为在Bx作用下SMST1和SMST3的集电极电流变化量，ΔVout1和ΔVout3分别为在Bx作用下SMST1和SMST3的集电极输出电压变化量。

在理想情况下，由式(6)可知，Voutx为单个SMST输出电压变化量的2倍。同理，在By和Bz作用下，Vouty、Voutz分别为单个SMST输出电压变化量的2倍。由Voutx、Vouty和Voutz可得空间磁场矢量分量Bx、By和Bz，利用式(2)和式(3)，经过理论计算可得空间磁场矢量B。

2 空间磁敏感特性仿真

2.1 空间磁场矢量传感器仿真模型构建

采用TCAD-ATLAS构建空间磁场矢量传感器仿真模型，见图4。芯片Ⅰ放置于xy平面内，芯片Ⅱ放置于yz平面内，且芯片Ⅰ与芯片Ⅱ磁敏感方向相互垂直。芯片Ⅰ包括4个SMST(SMST1～SMST4)，4个集电极(C1～C4)、4个基极(B1～B4)位于模型正面，发射极EⅠ位于模型背面，SMST1、SMST3构成x方向磁敏感单元，对沿x方向的磁场分量Bx敏感，SMST2、SMST4构成y方向磁敏感单元，对沿y方向磁场分量By敏感；芯片Ⅱ包括2个SMST(SMST5、SMST6)，2个集电极C5和C6、2个基极B5和B6位于模型正面，发射极EⅡ位于模型背面，SMST5、SMST6构成z方向磁敏感单元，对沿z方向的磁场分量Bz敏感。

图4 空间磁场矢量传感器三维结构仿真模型

2.2 磁敏感特性仿真

在室温(T=300 K)条件下，设定集电极电压VCE=5.0 V和基极电流IB=4.0 mA，外加磁场B=0.1 T且在xy、yz和zx平面内绕坐标中心旋转，旋转角度θ为0°～360°，步长15°，仿真研究B对Voutx、Vouty和Voutz的影响(图5)。B在xy平面内旋转时Voutx～θ和Vouty～θ的仿真关系曲线见图5(a)，Voutx和Vouty与旋转角度的关系如下：θ=0°时，Voutx为最大值，Vouty=0；θ=90°时，Voutx=0，Vouty为最大值；θ=180°时，Voutx为最小值，Vouty=0；θ=270°时，Voutx=0，Vouty为最小值；θ=360°时，输出电压与θ=0°时基本相同。仿真分析给出，Voutx随θ变化呈余弦函数关系，Vouty随θ变化呈正弦函数关系，周期为2π。B在yz平面内旋转时Vouty～θ和Voutz～θ的仿真关系曲线见图5(b)，Vouty随θ变化呈余弦函数关系，Voutz随θ变化呈正弦函数关系，周期为2π。B在zx平面内旋转时Voutz～θ和Voutx～θ的仿真关系曲线见图5(c)，Voutz随θ变化呈余弦函数，Voutx随θ变化呈正弦函数，周期为2π。

图5 Voutx、Vouty和Voutz随θ变化仿真曲线

综合分析，当B分别在xy、yz和zx平面内旋转时，磁敏感单元的输出电压随θ变化呈正弦或余弦函数关系，仿真结果表明，3个磁敏感单元对应磁敏感方向磁灵敏度接近一致、具有正反向磁敏特性，且磁敏感方向相互垂直，可分别实现Bx、By和Bz的测量，能够计算给出空间磁场矢量。

3 空间磁场矢量传感器特性测试

3.1 x、y和z方向磁敏感特性测试

室温条件下，通过采用磁场发生器(CH-100)和旋转平台等仪器搭建空间磁场矢量传感器测试系统，分别对x、y和z方向磁敏感单元进行磁敏特性测试，测试条件为：VDD=5.0 V、IB为2.0～8.0 mA，间隔为2.0 mA，外加磁场为-0.3～0.3 T，集电极负载电阻RL1～RL6=1.5 kΩ。Voutx、Vouty和Voutz随外加磁场(Bx、By和Bz)变化的关系曲线见图6。当Bx恒定时，Voutx随IB的增大而增加；当IB恒定时，Voutx随Bx的增强而线性增加，且磁敏感单元具有正反向磁敏感特性(图6(a))，y、z磁敏感单元的Vouty和Voutz与x方向磁敏感单元变化规律相同(图6(b)、(c))。实验结果得出，当IB=4.0 mA时，在Bx、By和Bz的作用下，x、y和z方向磁敏感单元磁灵敏度Sxx、Syy和Szz分别为71、63、79 mV/T。

图6 在IB不同时，磁敏感单元输入-输出特性曲线

3.2 空间磁场矢量测试

当外加磁场B=0.1 T，将空间磁矢量传感器固定在旋转测试台上，外加磁场B分别在3个磁敏感单元磁敏感方向构成的平面内旋转，旋转角度θ为0°～360°，步长5°，B在3个平面内绕中心旋转时，Voutx、Vouty和Voutz与θ的关系曲线，见图7。

当外加磁场B在x方向、y方向磁敏感单元磁敏感方向所在平面内旋转时，Voutx、Vouty和Voutz随θ变化关系曲线见图7(a)。Voutx～θ呈余弦函数关系，Vouty～θ呈正弦函数关系，Voutz随θ呈正弦函数关系且变化较小。Voutx、Vouty为磁敏感单元敏感方向输出电压，Voutz为磁敏感单元非敏感方向输出电压，综合分析，Voutz随θ改变产生微小变化的原因包括2个方面：①由于芯片的封装或测试过程中磁敏感单元位置与磁敏感方向产生偏角;②封装结构的磁敏感单元磁敏感方向正交性不好，磁灵敏度出现交叉干扰。B在y和z磁敏感单元所在平面内旋转时Voutx、Vouty和Voutz随θ变化关系曲线见图7(b)，B在z和x磁敏感单元所在平面内旋转时Voutx、Vouty和Voutz随θ变化关系曲线见图7(c)，变化规律与图7(a)相同。通过x、y和z方向磁敏感单元可分别实现Bx、By和Bz的测量，由式(2)、式(3)可计算得出空间磁场矢量B。

(a)B在x和y磁敏感单元所在平面旋转

(b)B在y和z磁敏感单元所在平面旋转

(c)B在z和x磁敏感单元所在平面旋转

4 结 论

本文提出了一种空间磁场矢量传感器的封装结构，该结构采用硅磁敏三极管构成3个磁敏感单元，结合磁敏感单元正反向磁敏感特性，给出了空间磁场矢量传感器工作原理。采用TCAD-ATLAS软件构建了结构仿真模型，研究了磁敏感特性，同时在PCB板上实现了传感器芯片组合式封装。在室温条件下，VDD=5.0 V和IB=4.0 mA时，空间磁场矢量传感器3个磁敏感单元分别在Bx、By和Bz的作用下具有较好的磁敏感特性，该结构可以测量空间磁场。