【摘要】：與霍爾器件,各向異性磁阻,巨磁阻等磁強(qiáng)計(jì)相比,采用磁性多層膜材料研制的微型隧穿磁阻傳感器(Tunneling Magnetic Resistance)具備靈敏度高、頻響大、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。微型隧穿磁阻傳感器芯片集成研究成為主要的發(fā)展方向之一,因此開(kāi)展高性能數(shù)字化隧穿磁阻傳感器接口電路芯片集成化研究具有重要意義。隧穿磁阻傳感器在高性能研究中存在如下關(guān)鍵問(wèn)題:隧穿磁阻傳感器本底噪聲較大,影響其最小磁場(chǎng)分辨力;隧穿磁阻傳感器中大的磁隧穿結(jié)面積可以提高其靈敏度,但同時(shí)其輸出溫度漂移嚴(yán)重;隧穿磁阻傳感器接口電路仍處于分立器件PCB集成,接口ASIC芯片集成問(wèn)題尚待解決。為解決相應(yīng)問(wèn)題本文研究了隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)的噪聲特性和溫度特性,開(kāi)展了微型隧穿磁阻傳感器接口電路芯片集成技術(shù)研究。從隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)隧穿機(jī)理分析傳感器的噪聲特性,建立隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)的噪聲模型。從而得出隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)噪聲頻譜,由于在地磁場(chǎng)磁信號(hào)測(cè)量中,信號(hào)為低頻弱磁信號(hào),隧穿磁阻傳感器在低頻處的主要噪聲是磁疇壁熱激發(fā)引起的噪聲,采用常規(guī)電路高頻調(diào)制方法不能降低其噪聲,從而提出一種磁屏蔽型斬波調(diào)制的降噪方法。通過(guò)分析斬波電流幅值以及斬波電流頻率與靈敏度的關(guān)系,確定最佳斬波電流參數(shù),采用磁屏蔽型斬波調(diào)制方法使隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)本底噪聲從7.5n T/Hz1/2(@1Hz)降至0.15n T/Hz1/2(@1Hz),驗(yàn)證了方法的有效性。針對(duì)隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)溫度漂移問(wèn)題,本文從磁性隧穿結(jié)電子自旋極化溫度特性分析,得出隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)靈敏度、零位與溫度關(guān)系,從而提出一種基于數(shù)字處理芯片最小二乘算法的數(shù)字化補(bǔ)償方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償,有效地解決了隧穿磁阻傳感器溫漂問(wèn)題。在隧穿磁阻傳感器敏感結(jié)構(gòu)噪聲特性和溫度特性理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款高性能隧穿磁阻傳感器數(shù)字化接口ASIC芯片,芯片主要包含前級(jí)低噪聲微弱信號(hào)檢測(cè)電路和高精度四階Sigma-Delta ADC。通過(guò)對(duì)接口電路各關(guān)鍵模塊的非理想特性分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)電路中各參數(shù)。借助于Cadence仿真和0.35μm四層金屬雙多晶BCD工藝庫(kù)完成版圖設(shè)計(jì)與后仿真工作,采用上海華虹標(biāo)準(zhǔn)0.35μm CMOS工藝完成工程批流片。最后,建立高精度測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)接口ASIC芯片和隧穿磁阻磁強(qiáng)計(jì)整機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,在-45~+85℃的溫度范圍內(nèi),溫度補(bǔ)償前后TMR微磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度溫漂系數(shù)從-1100ppm/℃降至-117ppm/℃;磁場(chǎng)測(cè)量量程為±100μT;功耗120m W(三軸);數(shù)字TMR磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)噪聲水平達(dá)0.26n T/Hz1/2(@1Hz);非線性0.11%;設(shè)計(jì)的TMR微磁強(qiáng)計(jì)樣機(jī)數(shù)字輸出后端還集成了數(shù)字串口芯片,可完成與PC機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊,并通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了非線性、零位、溫度補(bǔ)償與校準(zhǔn)功能,實(shí)現(xiàn)了高性能微型隧穿磁阻傳感器芯片集成。本文開(kāi)展的隧穿磁阻傳感器接口電路芯片集成技術(shù)研究對(duì)高性能TMR微磁強(qiáng)計(jì)集成技術(shù)進(jìn)步具有重要的推動(dòng)作用,對(duì)隧穿磁阻傳感器的集成化和微型化具有重要意義,在高精度磁探測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 課題背景地球是一個(gè)巨大的磁源，周圍分布著十分微弱的磁場(chǎng)（大約 50μT），地磁場(chǎng)和地球的方位之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果我們能準(zhǔn)確測(cè)量出地磁場(chǎng)信息就可以實(shí)現(xiàn)高精度的全球定位導(dǎo)航，這對(duì)于軍事領(lǐng)域中隱蔽型作戰(zhàn)裝備（如水下潛艇、隱形飛機(jī)等）具有重要戰(zhàn)略意義[1]。導(dǎo)磁性物體可以改變周圍附近地磁場(chǎng)的分布而產(chǎn)生磁異常信號(hào)，如果能準(zhǔn)確獲取這個(gè)磁異常信號(hào)，就可以準(zhǔn)確地捕獲該目標(biāo)物體的位置、大小等信息[2]。磁異信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)如圖 1-1 所示在微納衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)反潛、彈藥引信、地質(zhì)勘探、排雷排爆、交通監(jiān)測(cè)等軍事和民用領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用價(jià)值[3]。在地磁場(chǎng)信號(hào)和磁異常場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)中，磁信號(hào)十分微弱且變化頻率很低（1Hz 左右），這對(duì)于磁信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)低頻磁場(chǎng)檢測(cè)能力提出極高要求，如何有效獲取地磁場(chǎng)和磁異常場(chǎng)信息已成為問(wèn)題的關(guān)鍵。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的董長(zhǎng)春[14]等人研制了三軸磁通門探頭與閉環(huán)接口 ASIC 芯片雙片集成。如圖1-2 所示，磁通門傳感器通過(guò)在磁屏蔽環(huán)境的測(cè)試，其主要性能參數(shù)可達(dá)：量程為 100μT，靈敏度為 30.8mV/μT，噪聲為 3nT/Hz1/2（@1Hz），非線性為 0.062%。其整體性能達(dá)到了一定的高度。但磁通門的靈敏度、噪聲等性能受到磁芯面積的限制，很難實(shí)現(xiàn)微型化[15]。其體積、功耗以及噪聲等方面無(wú)法滿足本課題微納衛(wèi)星磁載荷的要求。圖 1-2 閉環(huán)磁通門系統(tǒng)與接口 ASIC 芯片[14]Fig.1-2 Closed-loop flux gate system and interface ASIC chip[14]微型原子磁力儀是最近幾年剛剛起步研究的磁傳感器，技術(shù)尚處于研究階段。原子磁力儀基本檢測(cè)原理是利用激光抽運(yùn)使加熱后的堿金屬蒸汽原子達(dá)到特定自旋狀態(tài)，蒸汽原子的自旋方向與外磁場(chǎng)密切相關(guān)，再利用光學(xué)方法檢測(cè)自旋變化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的探測(cè)[16]。其低頻磁場(chǎng)探測(cè)能力可達(dá)數(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文1/2(@1Hz),但原子磁力儀的應(yīng)用存在一定的局限性：（1）沒(méi)有方向敏法完成三分量磁場(chǎng)測(cè)量；（2）在傳感器的工藝制造和接口電路信號(hào)檢比其他集成微型磁傳感器制備困難[17]。穿磁阻傳感器（TMR）是繼各向異性磁阻傳感器和巨磁阻傳感器之后發(fā)的一類新型磁阻傳感器。Julliere 首先在實(shí)驗(yàn)室利用 Co/Ge/Fe 三明現(xiàn)了隧穿磁阻效應(yīng)，利用 Co 作為自由層，Ge 作為絕緣層，F(xiàn)e 作為如下圖 1-3 所示，自由層上磁化方向可以改變，而參考層要求磁化方中間是厚度為 1~2nm 的薄絕緣層將兩個(gè)磁化層隔開(kāi)[18]，當(dāng)有外界環(huán)用時(shí)，電子就可以從一個(gè)磁化層隧穿到另一磁化層。起初的隧穿磁阻左右，后續(xù)經(jīng)過(guò)多個(gè)高校和研究機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，通過(guò)改變鐵磁層與絕緣來(lái)增加磁阻變化率，從 Co/Ge/Fe、Fe/A12O3/Fe 以及 CoFeB/MgO/CoF磁阻變化率也從起初的 40%到 600%以上。

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本文編號(hào)：2771492