三轴一体化磁力线聚集调制GMR磁传感器关键技术研究

高性能三轴磁传感器在武器装备、航空航天、资源探测等领域有着广泛的应用前景和迫切需求。GMR是研制小型化、高分辨力三轴磁传感器的理想元件，但应用中首先必须解决其1/f噪声问题，磁力线聚集调制是当前国外解决GMR应用问题的研究热点。针对现有GMR磁力线聚集调制技术中存在的调制深度不足、驱动结构稳定性较差以及组装式三轴磁传感器正交误差大等问题，本项目提出磁力线聚集垂动调制的新思路和磁变轨实现空间磁场平面化测量的新方法。主要研究：1）聚集调制技术中磁导向结构对磁力线形态的影响机制；2）空间磁场测量平面化与磁力线聚集调制一体化；3）一体化MEMS微硅驱动结构的线性和非线性动力学特性；4）基于聚集调制的三轴一体化GMR磁传感器制造工艺。本项目的研究成果将为研制高性能三轴GMR磁传感器奠定理论和技术基础。

项目针对GMR磁传感器性能严重受到1/f噪声和三轴组装误差限制的问题，开展了磁力线聚集垂动调制1/f噪声抑制机理、空间磁场变轨平面化测量方法、导向结构磁力线分布规律、MEMS驱动结构动力学分析、三轴一体化垂动调制GMR磁传感器设计、制备及测试等研究，提出了磁力线聚集、变轨及垂动调制为一体的空间磁场调控传感理论及方法，解决了磁力线聚集调制性能增强机理、空间磁场变轨平面化测量理论及方法、微驱动结构的动力学特性及调制稳定控制等关键科学问题，掌握了磁力线聚集调制和空间磁变轨结构的一体化设计、制造和高精度测控技术，研制出了三轴一体化垂动调制GMR磁传感器原理样品。实验结果表明，传感器低频噪声从原敏感体的2000nV/√Hz降低到了9nV/√Hz，分辨力提升了两个数量级以上，优于0.08nT，达到国际同类先进水平；三轴非正交度小于0.09度，大幅优于现有三轴磁传感器约0.5度的水平，充分体现了项目组所提的空间磁场调控传感理论及方法在提升GMR磁传感分辨力和三轴正交性方面的有效性，为进一步研制高性能三轴GMR磁传感器奠定了重要的理论与技术基础。.在项目资助下，课题组取得了丰富的研究成果，主要包括：1）三轴一体化聚集垂动调制GMR磁传感器探头及样机；2）磁传感器测控硬件及软件算法；3）磁传感器综合测试评估系统；4）国家发明专利授权7项；5）高水平学术论文19篇，其中SCI检索14篇（影响因子3.0以上5篇）。同时，课题组培养了博士生4名（含2名即将答辩），硕士生5名（其中4名继续攻读博士），且1名研究组成员入选了国家留学基金委的“未来科学家计划”项目（全国首批49人之一）。