全CMOS集成微型感应线圈磁力计，集成片上校准和低噪声放大
2026-06-13 14:34:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
香港科技大学首次提出了一种全CMOS集成微型感应线圈磁力计（& 181;SCM），有望应用于生物医学诊断、环境监测以及节能电子系统等对精密磁场检测要求较高的领域。
磁力计广泛应用于各类科学、工业和生物医学领域的磁场测量。磁力计有多种类型，每种类型都有其独特的测量范围、特定应用场景，以及各自的优缺点。
感应线圈磁力计（SCM）具有一些固有优势——它是无源传感器，运行时无需外部电源，这使其天然具备低噪声和超低功耗的特性。感应线圈磁力计可依靠小型电池运行数年；此外，感应线圈磁力计的温度依赖性较低，能在多变的环境条件下保持稳定，使其成为一种可靠且简便的选择。值得注意的是，感应线圈磁力计拥有所有类型磁力计中最宽的动态范围，能够测量从极弱到极强的大范围磁场强度，且不会出现饱和现象。然而，传统的感应线圈磁力计体积庞大，并且与CMOS技术不兼容，严重限制了其在便携式设备、生物医学植入物以及小型物联网系统等需要小型化的场景中的应用。
尽管对小型化且低功耗的磁场传感器需求日益增长，但针对传统感应线圈磁力计小型化的研究仍较为有限。基于PCB的平面螺旋电感虽然提供了可扩展且具成本效益的解决方案，但其分辨率和集成能力通常受限。而基于CMOS的平面螺旋电感则有望与片上电路实现无缝集成，从而减小尺寸、提升性能并降低功耗。平面螺旋电感凭借高效的电感特性和易于制造的特点，已被广泛应用于射频电路等高频领域。然而，其在低频磁场传感中的应用尚未得到充分探索。
据麦姆斯咨询介绍，香港科技大学首次提出了一种全CMOS集成微型感应线圈磁力计（µSCM），在1 kHz频率下可实现2.1 nT/√Hz的噪声等效磁感应强度（NEMI），功耗仅为364 µW，相较过去的CMOS感应线圈磁力计性能提升约十倍。凭借紧凑的结构、高灵敏度和超低功耗特性，该全CMOS集成感应线圈磁力计有望应用于生物医学诊断、环境监测以及节能电子系统等对精密磁场检测要求较高的领域。
相关研究成果已经以“An integrated CMOS micro search‑coil magnetometer with on‑chip calibration and a low‑noise amplifier”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
论文摘要附图
传感器系统的工作原理与实现
该研究所提出CMOS微型感应线圈磁力计的工作原理基于法拉第电磁感应定律。当平面螺旋电感暴露于外部交变磁场中时，线圈输出端会感应电压（Vₒᵤₜ），如图1a所示。平面螺旋电感可由其布局参数定义：线宽（w）、线间距（s）、内直径（Dᵢ）、外直径（Dₒ）以及线厚（h）。由于在任何CMOS工艺中金属厚度和薄层电阻都是预先确定的，因此研究人员利用w、s、Dᵢ、Dₒ对所提出的微型感应线圈磁力计进行了优化。平面螺旋电感可近似为多匝闭合回路。图1b展示了这种平面螺旋电感近似模型及其设计参数（w、s、Dᵢ、Dₒ）。该微型感应线圈磁力计采用台积电1P6M 180 nm CMOS工艺的六层金属层实现。在每一层金属中均形成一个平面螺旋电感，并且六个电感均同相串联。多晶硅层中还集成了一个额外电感，用于片上校准。图1d给出了六层金属电感与多晶硅电感的电路原理图。
图1 CMOS芯片的工作原理与实现方式
图1e展示了CMOS芯片的框图。该CMOS芯片包含一个微型感应线圈磁力计，连接至低噪声仪表放大器（INA）、温度传感器、霍尔效应传感器，以及用于片上校准的多晶硅电感。该CMOS芯片的总尺寸为3 mm x 3 mm。
该研究的关键之一是采用台积电1P6M 180 nm CMOS工艺，实现整个微型感应线圈磁力计系统的全集成与制造。该方法无需昂贵、复杂且良率低的CMOS后道MEMS加工步骤，确保了系统具备高可制造性、低成本且可扩展的特点。
所制造的CMOS芯片被引线键合至48引脚5 mm x 5 mm QFN封装中（图1g），随后使用环氧树脂复合物进行模塑以保护引线。之后，将QFN封装芯片安装至PCB上进行性能表征。引线键合与环氧树脂模塑后的QFN封装芯片照片如图1h所示。
图2 所设计与制备的INA仿真与测量结果
所设计并制备的INA专为放大微型感应线圈磁力计输出端的感应电压而开发，其工作在低频范围（<1 kHz）。在该频率范围内，闪烁噪声成为主要噪声源，会对微型感应线圈磁力计的NEMI产生显著影响。解决这一挑战对于实现传感器系统预期的灵敏度和性能至关重要。
为解决这一问题，该研究采用了斩波技术。该技术可将输入信号有效调制到闪烁噪声影响较小的高频频段，经放大后再解调回基带。通过这一方式，闪烁噪声被推至远低于工作频段的频率，从而大幅降低其影响。如图2b所示，闪烁噪声转折频率从大于6 kHz降至小于100 mHz，有效减小了对总噪声的影响。
图3 CMOS微型感应线圈磁力计的表征
该研究的主要创新点
该研究的创新点不仅在于对现有组件的整合，更在于通过系统性、以性能为导向的优化以及全新的协同整合，使全CMOS集成微型感应线圈磁力计的NEMI实现了数量级的突破。具体而言，主要创新点包括：
- 实现NEMI最小化的新型设计方法：首次提出了一套完整的理论框架，可系统分析平面螺旋电感的设计空间（包括w、s、Dᵢ、Dₒ），推导出可实现NEMI绝对最小化的临界线宽和临界内径解析表达式。该优化技术是微型感应线圈磁力计设计领域的一项重要创新成果。
- 独特的孔径内集成布局：该研究提出了一种新型、面积高效的共集成策略，即将优化后的INA完全放置在平面螺旋电感线圈的内孔径内（由临界内直径定义）。该布局显著提升了面积利用率，并最大限度地减小了所需要的硅片面积。
图4 CMOS芯片其它特性的测量结果
- 先进的低噪声读出电路：研究人员设计了一款高性能嵌套斩波电流反馈INA，专为微型感应线圈磁力计读出需求量身定制。嵌套斩波技术可有效抑制CMOS工艺中固有的主要1/f噪声（闪烁噪声），使输入参考电压噪声大幅降低（100 Hz时从73.45 nV/√Hz降至36.92 nV/√Hz）。
图5 设计参数对NEMI的影响
- 基准性能与多功能性：优化的线圈设计与低噪声电路相结合，在1 kHz频率下实现了创纪录的2.1 nT/√Hz的NEMI，同时仅消耗364 µW功率，这使其功率归一化场分辨率效率比此前报道的全集成磁传感器高出一个数量级以上。
结论
该研究首次提出了一种集成INA的全CMOS集成微型感应线圈磁力计，并针对1 Hz至1 kHz频段的低频磁场测量开展了全面的理论分析。该研究从理论上计算并通过实验验证了临界线宽与内径，以此设计出独特的CMOS布局，显著优化了CMOS芯片的面积利用率。此外，CMOS芯片还集成了用于片上校准的多晶硅层电感、用于直流磁场测量的霍尔效应传感器，以及用于提升功能的温度传感器。相关研究成果标志着该领域的重大进展，其性能超越了大多数商用霍尔效应传感器，为低频磁场测量提供了一种紧凑、节能且高灵敏度的解决方案。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01334-w
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