无人机磁反潜、地磁导航、生物磁标等新兴技术急需高性能小型三轴磁传感器。磁电阻传感器在上述领域具有很好的应用前景,但其性能受1/f噪声、磁滞和三轴非正交等问题的制约。本文针对这些问题,在国家自然科学基金项目支持下,从磁场调控理论与解算方法、传感器设计与制备、高分辨率信号检测、三轴磁场一体化解耦校正及实验评估等方面对基于磁电阻的高性能三轴磁传感系统开展了系统深入的研究,主要工作和成果如下:(1)提出了一套通过微结构实现磁场调控传感的理论和方法,为克服磁电阻传感器的1/f噪声、磁滞及三轴非正交等问题提供了系统的解决方法。利用电磁场理论和有限元仿真方法深入研究了磁力线垂动调制、磁力线变轨及磁场跟踪补偿等内容,其中调制和补偿理论经本文研究进一步发展为空间磁场一体化调控理论。通过一体化变轨软磁块将垂直方向(Z向)磁场转向至X-Y平面,实现三维磁场的平面化测量;通过磁力线垂动调制将气隙处的准静态磁场变成交变动态磁场,从频谱搬移的角度揭示了磁传感器1/f噪声抑制机理;揭示了机械扰动噪声和品质因数对调控稳定性的影响规律,通过合理设计谐振结构品质因数降低系统功耗,提高调制效率;通过脉冲磁化使磁电阻获得相对稳定的初始磁化状态,利用磁场跟踪补偿使磁化状态保持基本恒定,从而抑制磁滞和非线性;通过建立调控信号模型,采用FFT频谱校正方法对输出信号参数进行求解,仿真结果表明参数估计精度与采样点数、频偏及信噪比有关;提出一体化解耦校正方法,大幅降低通道间耦合误差、通道不一致性误差和剩磁等非理想误差,实现三维磁场的高精度解算。(2)提出了一种基于磁电阻的高性能三轴磁传感系统设计方案,并建立了相应的优化设计方法。通过设计高性能调控结构和高精度磁场测控系统,优化磁传感系统的性能。基于微结构的磁场调控理论,将磁敏感体、垂动调制膜、变轨软磁块、微补偿线圈和压电/硅回型梁等调控微结构一体化融合,完善和发展了高性能三轴磁传感器设计方案;基于阻尼振动理论对谐振结构进行优化设计,仿真结果表明品质因数可达737,比传统方案提升41倍。所设计的变轨结构变轨效率达62%,微补偿线圈励磁系数达1470.6nT/mA;通过提升基底材料热导率、降低系统功耗以及降低谐振结构阻尼等手段,有效降低了磁传感器探头热效应,仿真结果表明其温升从优化前的17.9℃降低至2℃;基于正交锁相放大和数字PI控制技术,实现了谐振高精度测量和控制;提出了一种基于双向脉冲磁化的磁场跟踪补偿方法,大幅降低了磁滞效应;采用高分辨率DAC和压控恒流源技术,实现了高精度电流控制。(3)突破了高性能调制结构制备、高密度微补偿线圈制备、多物性分立微结构的高精度低温互联等关键工艺,建立了一套较为完备的高性能三轴磁传感器探头制造工艺体系。通过控制NiFe镀液的成分比例和电镀电流,实现了大厚度软磁微结构的高质量制备;通过优化磨盘转速并采用刀宽补偿的高速砂轮切割方法,解决了PZT陶瓷表面粗糙度大、脆性大等加工难题;通过优化电镀参数并采用离子束刻蚀技术,提高了电镀线圈的厚度一致性和良好的垂向特性,制备出高质量微补偿线圈;采用高精度平面光学对准等技术,实现了敏感体三维高精度安装;利用光敏型干膜制备深卡槽和Au-In共晶键合,解决了小尺寸散装结构无法一体化键合问题,从而实现了PZT结构与微硅结构的一体化低温互联,剪切力强度在12Mpa以上;通过控制共晶键合厚度,并采用双向CCD精确对准,实现了三轴传感器的高精度组装。(4)建立了传感器输出信号的数学模型,提出了响应的高分辨率信号检测算法,在此基础上提出了一种基于三分量的一体化解耦校正方法,实现了三轴磁场的准确解算。研究了磁传感器的幅频特性,提出了一种针对静态磁场测量的过零检测式迭代频谱校正参数估计方法,解决了参数估计算法在解算精度和速度上难以兼顾的问题;针对低频交变磁场测量问题,提出了一种基于决定因子反演的磁场解算方法,克服了传统DFT算法中频谱混叠限制导致的频率分辨率限制,磁场频率分辨率达0.8Hz;针对三轴磁信息耦合以及通道非一致性等问题,提出了一种基于分量式的一体化解耦校正方法,克服了传统基于总量不变校正方法只适用于对称模型的局限性,实现了磁传感器一体化解耦校正。(5)建立了一套较为完善的高性能三轴磁传感系统性能测试与评估方法,验证了磁场调控传感理论的正确性,所研制的磁传感器样机关键技术指标达到国际先进水平。验证了传感器硬件系统的基本性能,测试分析了谐振结构品质因数和幅频特性、探头热稳定性、传感器样机的响应、噪声及磁滞等特性,测试结果表明谐振结构的品质因素达400以上,磁传感器探头温升为1.9℃,1/f噪声被抑制230倍,磁场调制效率达到31.45%,传感器样机的非线性0.13%,最小可探测磁场为126pT/√Hz,与最新报道水平相当;通过一体化解耦校正,测得传感器的变轨系数达到0.4,与设计值(0.61)接近,三轴非正交误差0.05°。