【摘 要】
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针对于工业中无损探伤对三维磁场传感器的实际应用需求,解决霍尔元件单一磁敏感方向问题。本文结合霍尔元件和导磁结构,基于MEMS技术设计一种三维磁场传感器,该传感器由五只霍尔元件(H-1、H-2、H-3、H-4和H-5)和四个导磁结构(CMFS1、CMFS2、CMFS3和CMFS4)构成x轴、y轴和z轴三个磁敏感单元,完成对外加磁场分量(B_x、B_y和B_z)检测。为了实现空间磁场矢量测量,导磁结构
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针对于工业中无损探伤对三维磁场传感器的实际应用需求，解决霍尔元件单一磁敏感方向问题。本文结合霍尔元件和导磁结构，基于MEMS技术设计一种三维磁场传感器，该传感器由五只霍尔元件(H-1、H-2、H-3、H-4和H-5)和四个导磁结构(CMFS1、CMFS2、CMFS3和CMFS4)构成x轴、y轴和z轴三个磁敏感单元，完成对外加磁场分量(Bx、By和Bz)检测。为了实现空间磁场矢量测量，导磁结构被嵌入x轴和y轴磁敏感单元的四只霍尔元件敏感区正下方深槽结构中，其功能是将相对于霍尔元件磁敏感区水平方向磁场调制为垂直方向，使霍尔元件实现沿非敏感轴方向外加磁场检测。在此基础上，采用有限元软件ANSYSWorkbench构建了二维磁场导磁结构仿真模型，并仿真分析导磁特性;通过TCAD-Atlas软件仿真了x轴、y轴和z轴三个磁敏感单元的磁敏特性。利用L-edit软件设计了三维磁场传感器芯片版图，基于MEMS工艺在SOI(Silicon on insulator)晶圆上完成了芯片制作，并采用内引线压焊技术实现了传感器芯片封装。
室温条件下，利用搭建的测试平台，对三维磁场传感器x轴、y轴和z轴三个方向磁敏感单元的磁敏特性、温度特性和磁灵敏度交叉干扰进行测试。实验结果表明，量程为-20mT～20mT时，x轴、y轴和z轴磁敏感单元的灵敏度分别为351.6mV/T、331.9mV/T和112.6mV/T;在导磁结构侧面制作磁屏蔽层后，x轴和y轴磁敏感单元的灵敏度分别为325.6mV/T和321.0mV/T。本文通过设计CMFS调制外加磁场方向使同种霍尔元件实现三维磁场测量，为高性能空间磁场矢量传感器研发奠定基础。
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