基于硅磁敏三極管空間磁場(chǎng)矢量傳感器

柳微微，趙曉鋒，溫殿忠

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

在航空、航天、水下等環(huán)境中，為保障飛行器、水下航行器運(yùn)動(dòng)物體的定向運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行精確的導(dǎo)航。通過測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體所在位置的空間環(huán)境磁場(chǎng)，利用地磁場(chǎng)空間分布可進(jìn)行地磁導(dǎo)航，該方法應(yīng)用廣泛且適用于惡劣環(huán)境。近年來，隨著微電子、新材料、新工藝和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展，地磁導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展到新階段，尤其地磁導(dǎo)航中的空間磁場(chǎng)測(cè)量[1]被引起高度關(guān)注。目前，用于空間磁場(chǎng)矢量B測(cè)量的磁敏感元器件主要包括磁敏三極管[2-3]、霍爾元件[4-6]、巨磁電阻(GMR)[7-8]、隧穿磁電阻(TMR)和磁通門[9]等。由于磁敏感元器件均具有特定的磁敏感方向，為實(shí)現(xiàn)B的測(cè)量，多采用組合一種或幾種磁敏感元器件，因此，空間磁場(chǎng)測(cè)量中出現(xiàn)各方向磁敏感元器件磁靈敏度不一致現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。本文針對(duì)磁靈敏度不一致問題，以硅磁敏三極管作為磁敏器件，分別構(gòu)成3個(gè)相同的磁敏感單元，采用組合式封裝方法形成空間磁場(chǎng)矢量傳感器以實(shí)現(xiàn)空間磁場(chǎng)矢量測(cè)量。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

空間磁場(chǎng)矢量傳感器封裝結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可見，該結(jié)構(gòu)由芯片Ⅰ、芯片Ⅱ(見虛線框插圖)和2塊印刷電路板(PCB板)組合而成，芯片Ⅰ和芯片Ⅱ以硅磁敏三極管作為磁敏感器件，磁敏感方向均平行于芯片表面。芯片Ⅰ上集成了4只硅磁敏三極管(SMST1、SMST2、SMST3、SMST4)，分別用于構(gòu)成第一、第二磁敏感單元，芯片正面對(duì)應(yīng)4個(gè)基極(B1～B4)、4個(gè)集電極(C1～C4)，背面為公共發(fā)射極(EⅠ)；芯片Ⅱ上集成了2只硅磁敏三極管(SMST5、SMST6)，用于構(gòu)成第三磁敏感單元，芯片正面對(duì)應(yīng)2個(gè)基極(B5、B6)、2個(gè)集電極(C5、C6)，背面為公共發(fā)射極(EⅡ)。芯片Ⅰ和芯片Ⅱ分別粘貼在PCB板Ⅰ和Ⅱ上，芯片Ⅰ上兩個(gè)磁敏感單元敏感方向垂直，分別實(shí)現(xiàn)沿x方向、y方向外加磁場(chǎng)(Bx和By)的測(cè)量，芯片Ⅱ上z方向磁敏感單元與x方向、y方向磁敏感單元敏感方向相互垂直，可完成沿z方向外加磁場(chǎng)(Bz)的測(cè)量。

圖1 空間磁場(chǎng)矢量傳感器封裝結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

1.2.1 空間磁場(chǎng)矢量傳感器等效電路

芯片Ⅰ和芯片Ⅱ磁敏感單元等效電路見圖2，包括6只硅磁敏三極管、6個(gè)集電極負(fù)載電阻(RL1～RL6)和6個(gè)基極電阻(RB1～RB6)。集電極負(fù)載電阻和基極電阻一端連接電源電壓(VDD)、另一端分別連接硅磁敏三極管的集電極(C1～C6)和基極(B1～B6)，集電極與集電極負(fù)載電阻連接端為硅磁敏三極管集電極輸出電壓(Vout1～Vout6)，硅磁敏三極管的發(fā)射極接地(GND)。由圖2(a)可見，SMST1、SMST3、RL1、RL3構(gòu)成的差分結(jié)構(gòu)作為第一磁敏感單元(x方向磁敏感單元)，Vout1和Vout3的差值為x方向磁敏感單元差分輸出電壓Voutx；SMST2、SMST4、RL2、RL4構(gòu)成的差分結(jié)構(gòu)作為第二磁敏感單元(y方向磁敏感單元)，Vout2和Vout4的差值為y方向磁敏感單元差分輸出電壓Vouty，由圖2(b)可見，SMST5、SMST6、RL5、RL6構(gòu)成的差分結(jié)構(gòu)作為第三磁敏感單元(z方向磁敏感單元)，Vout5和Vout6的差值為z方向磁敏感單元差分輸出電壓Voutz。

圖2 磁敏感單元等效電路

1.2.2 空間磁場(chǎng)矢量傳感器工作原理

在空間直角坐標(biāo)系中建立了磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B，B與z軸的夾角為γ，B在xy平面內(nèi)的投影與y軸的夾角為φ，其在x軸、y軸和z軸上的分量分別為Bx、By和Bz,見圖3。

圖3 空間磁場(chǎng)矢量模型

根據(jù)矢量的分解，B可表示為

B=Bxi+Byj+Bzk

(1)

式中:Bx、By和Bz分別為B沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向的矢量分量。

由圖3可得，Bx、By和Bz的表達(dá)式為

(2)

由式(1)和式(2)可得，B的模|B|為

(3)

當(dāng)傳感器放置于空間磁場(chǎng)環(huán)境中，綜合分析傳感器結(jié)構(gòu)和磁敏感方向，在忽略磁靈敏度交叉干擾情況下，傳感器x、y和z方向磁敏感單元輸出電壓(Voutx、Vouty和Voutz)表達(dá)式為

(4)

式中:Sxx、Syy和Szz分別為x、y和z磁敏感單元在Bx、By和Bz作用下的磁靈敏度。

根據(jù)磁靈敏度定義，由式(2)，Sxx、Syy和Szz可表示為

(5)

根據(jù)硅磁敏三極管的正反向磁敏感特性[10-11]，將SMST1和SMST3沿相反的磁敏感方向放置構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，在外加磁場(chǎng)Bx作用下，其輸出電壓Vout1和Vout3隨Bx按照相反方向改變，由圖2(a)可知，式(5)中Voutx為

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

ΔIC3RL3-ΔIC1RL1=ΔVout3-ΔVout1

(6)

式中:IC1和IC3分別為SMST1和SMST3的集電極電流，ΔIC1和ΔIC3分別為在Bx作用下SMST1和SMST3的集電極電流變化量，ΔVout1和ΔVout3分別為在Bx作用下SMST1和SMST3的集電極輸出電壓變化量。

在理想情況下，由式(6)可知，Voutx為單個(gè)SMST輸出電壓變化量的2倍。同理，在By和Bz作用下，Vouty、Voutz分別為單個(gè)SMST輸出電壓變化量的2倍。由Voutx、Vouty和Voutz可得空間磁場(chǎng)矢量分量Bx、By和Bz，利用式(2)和式(3)，經(jīng)過理論計(jì)算可得空間磁場(chǎng)矢量B。

2 空間磁敏感特性仿真

2.1 空間磁場(chǎng)矢量傳感器仿真模型構(gòu)建

采用TCAD-ATLAS構(gòu)建空間磁場(chǎng)矢量傳感器仿真模型，見圖4。芯片Ⅰ放置于xy平面內(nèi)，芯片Ⅱ放置于yz平面內(nèi)，且芯片Ⅰ與芯片Ⅱ磁敏感方向相互垂直。芯片Ⅰ包括4個(gè)SMST(SMST1～SMST4)，4個(gè)集電極(C1～C4)、4個(gè)基極(B1～B4)位于模型正面，發(fā)射極EⅠ位于模型背面，SMST1、SMST3構(gòu)成x方向磁敏感單元，對(duì)沿x方向的磁場(chǎng)分量Bx敏感，SMST2、SMST4構(gòu)成y方向磁敏感單元，對(duì)沿y方向磁場(chǎng)分量By敏感；芯片Ⅱ包括2個(gè)SMST(SMST5、SMST6)，2個(gè)集電極C5和C6、2個(gè)基極B5和B6位于模型正面，發(fā)射極EⅡ位于模型背面，SMST5、SMST6構(gòu)成z方向磁敏感單元，對(duì)沿z方向的磁場(chǎng)分量Bz敏感。

圖4 空間磁場(chǎng)矢量傳感器三維結(jié)構(gòu)仿真模型

2.2 磁敏感特性仿真

在室溫(T=300 K)條件下，設(shè)定集電極電壓VCE=5.0 V和基極電流IB=4.0 mA，外加磁場(chǎng)B=0.1 T且在xy、yz和zx平面內(nèi)繞坐標(biāo)中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度θ為0°～360°，步長(zhǎng)15°，仿真研究B對(duì)Voutx、Vouty和Voutz的影響(圖5)。B在xy平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)Voutx～θ和Vouty～θ的仿真關(guān)系曲線見圖5(a)，Voutx和Vouty與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如下：θ=0°時(shí)，Voutx為最大值，Vouty=0；θ=90°時(shí)，Voutx=0，Vouty為最大值；θ=180°時(shí)，Voutx為最小值，Vouty=0；θ=270°時(shí)，Voutx=0，Vouty為最小值；θ=360°時(shí)，輸出電壓與θ=0°時(shí)基本相同。仿真分析給出，Voutx隨θ變化呈余弦函數(shù)關(guān)系，Vouty隨θ變化呈正弦函數(shù)關(guān)系，周期為2π。B在yz平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)Vouty～θ和Voutz～θ的仿真關(guān)系曲線見圖5(b)，Vouty隨θ變化呈余弦函數(shù)關(guān)系，Voutz隨θ變化呈正弦函數(shù)關(guān)系，周期為2π。B在zx平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)Voutz～θ和Voutx～θ的仿真關(guān)系曲線見圖5(c)，Voutz隨θ變化呈余弦函數(shù)，Voutx隨θ變化呈正弦函數(shù)，周期為2π。

圖5 Voutx、Vouty和Voutz隨θ變化仿真曲線

綜合分析，當(dāng)B分別在xy、yz和zx平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁敏感單元的輸出電壓隨θ變化呈正弦或余弦函數(shù)關(guān)系，仿真結(jié)果表明，3個(gè)磁敏感單元對(duì)應(yīng)磁敏感方向磁靈敏度接近一致、具有正反向磁敏特性，且磁敏感方向相互垂直，可分別實(shí)現(xiàn)Bx、By和Bz的測(cè)量，能夠計(jì)算給出空間磁場(chǎng)矢量。

3 空間磁場(chǎng)矢量傳感器特性測(cè)試

3.1 x、y和z方向磁敏感特性測(cè)試

室溫條件下，通過采用磁場(chǎng)發(fā)生器(CH-100)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等儀器搭建空間磁場(chǎng)矢量傳感器測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)x、y和z方向磁敏感單元進(jìn)行磁敏特性測(cè)試，測(cè)試條件為：VDD=5.0 V、IB為2.0～8.0 mA，間隔為2.0 mA，外加磁場(chǎng)為-0.3～0.3 T，集電極負(fù)載電阻RL1～RL6=1.5 kΩ。Voutx、Vouty和Voutz隨外加磁場(chǎng)(Bx、By和Bz)變化的關(guān)系曲線見圖6。當(dāng)Bx恒定時(shí)，Voutx隨IB的增大而增加；當(dāng)IB恒定時(shí)，Voutx隨Bx的增強(qiáng)而線性增加，且磁敏感單元具有正反向磁敏感特性(圖6(a))，y、z磁敏感單元的Vouty和Voutz與x方向磁敏感單元變化規(guī)律相同(圖6(b)、(c))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)IB=4.0 mA時(shí)，在Bx、By和Bz的作用下，x、y和z方向磁敏感單元磁靈敏度Sxx、Syy和Szz分別為71、63、79 mV/T。

圖6 在IB不同時(shí)，磁敏感單元輸入-輸出特性曲線

3.2 空間磁場(chǎng)矢量測(cè)試

當(dāng)外加磁場(chǎng)B=0.1 T，將空間磁矢量傳感器固定在旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)上，外加磁場(chǎng)B分別在3個(gè)磁敏感單元磁敏感方向構(gòu)成的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度θ為0°～360°，步長(zhǎng)5°，B在3個(gè)平面內(nèi)繞中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，Voutx、Vouty和Voutz與θ的關(guān)系曲線，見圖7。

當(dāng)外加磁場(chǎng)B在x方向、y方向磁敏感單元磁敏感方向所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，Voutx、Vouty和Voutz隨θ變化關(guān)系曲線見圖7(a)。Voutx～θ呈余弦函數(shù)關(guān)系，Vouty～θ呈正弦函數(shù)關(guān)系，Voutz隨θ呈正弦函數(shù)關(guān)系且變化較小。Voutx、Vouty為磁敏感單元敏感方向輸出電壓，Voutz為磁敏感單元非敏感方向輸出電壓，綜合分析，Voutz隨θ改變產(chǎn)生微小變化的原因包括2個(gè)方面：①由于芯片的封裝或測(cè)試過程中磁敏感單元位置與磁敏感方向產(chǎn)生偏角;②封裝結(jié)構(gòu)的磁敏感單元磁敏感方向正交性不好，磁靈敏度出現(xiàn)交叉干擾。B在y和z磁敏感單元所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)Voutx、Vouty和Voutz隨θ變化關(guān)系曲線見圖7(b)，B在z和x磁敏感單元所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)Voutx、Vouty和Voutz隨θ變化關(guān)系曲線見圖7(c)，變化規(guī)律與圖7(a)相同。通過x、y和z方向磁敏感單元可分別實(shí)現(xiàn)Bx、By和Bz的測(cè)量，由式(2)、式(3)可計(jì)算得出空間磁場(chǎng)矢量B。

(a)B在x和y磁敏感單元所在平面旋轉(zhuǎn)

(b)B在y和z磁敏感單元所在平面旋轉(zhuǎn)

(c)B在z和x磁敏感單元所在平面旋轉(zhuǎn)

4 結(jié) 論

本文提出了一種空間磁場(chǎng)矢量傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用硅磁敏三極管構(gòu)成3個(gè)磁敏感單元，結(jié)合磁敏感單元正反向磁敏感特性，給出了空間磁場(chǎng)矢量傳感器工作原理。采用TCAD-ATLAS軟件構(gòu)建了結(jié)構(gòu)仿真模型，研究了磁敏感特性，同時(shí)在PCB板上實(shí)現(xiàn)了傳感器芯片組合式封裝。在室溫條件下，VDD=5.0 V和IB=4.0 mA時(shí)，空間磁場(chǎng)矢量傳感器3個(gè)磁敏感單元分別在Bx、By和Bz的作用下具有較好的磁敏感特性，該結(jié)構(gòu)可以測(cè)量空間磁場(chǎng)。