面向智能手机应用的高分辨率MEMS磁通门传感器
2026-09-30 19:01:34 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
上海交通大学和北京智芯微电子科技有限公司的联合研究团队首次提出了一款具有皮特斯拉（pT）级低噪声的高分辨率5 mm单轴MEMS螺线管磁通门传感器芯片。
三分量地磁场测量是航天器常用的一种姿态控制方法。基于三分量磁场探测技术，在移动平台上开发先进个性化应用一直存在强烈需求，例如惯性导航、室内定位、虚拟现实、可穿戴电子设备、移动游戏等。目前智能手机中采用的基于磁阻或霍尔技术的集成三轴磁力计，其测量精度尚不足以满足姿态控制或导航要求。随着MEMS磁通门技术的发展，高精度小型化三轴磁通门磁力计已取得可喜进展。此外，微型磁通门传感器在国防探测、生物检测、心磁图检测、无损检测等领域也具有广阔的应用前景。
经过数十年的发展，受限于平面集成制造工艺，现有的MEMS磁通门传感器（MFS）仅实现了面内双轴集成。目前研究较多的磁通门传感器主要有两种结构：螺线管线圈-闭合磁芯型与平面螺旋线圈-开放磁芯型。博世（Bosch）开发了一款三轴磁力计芯片BMM150，集成了两个X-Y平面螺线管磁通门传感器与一个Z轴霍尔传感器，但分辨率仅为0.3 μT。这是一种用于三分量地磁场矢量测量的商用集成方案，但仍难以满足高精度导航的需求。
系统级封装（SIP）技术已经开始从2D、2.5D向3D集成方向发展。此外，El-Atab提出了一种异质多维封装技术，旨在统一结构内满足不同轴向芯片封装的需求，并实现了四面体、六面体以及巴基球多面体封装结构。基于这一技术思路，只需将三个单轴MEMS磁通门传感器安装在六面体封装结构的三个相互正交的面上，即可实现集成三轴MEMS磁通门传感器（TriMFS），实现所谓的4D封装。采用这种方案时，应使用三个同步制造的相同单轴螺线管型磁通门传感器，以减小轴向误差并保证三轴磁通门传感器的测量精度。
在4D封装技术中，这种三轴MEMS磁通门传感器的厚度等于芯片长度与底层基板厚度之和。此时，单轴螺线管型磁通门传感器的长度成为三轴MEMS磁通门传感器芯片的厚度阈值，因此，其尺寸自然是越小越好。单轴螺线管型磁通门传感器的小型化不可避免地面临尺寸与性能之间的权衡。为满足高精度磁场检测的需求，微型磁通门芯片的设计仍需充分考虑成熟的传统二次谐波检测技术路线。
据麦姆斯咨询报道，上海交通大学和北京智芯微电子科技有限公司的联合研究团队首次提出了一款具有皮特斯拉（pT）级低噪声的高分辨率5 mm单轴MEMS螺线管磁通门传感器芯片。基于对线宽、低阻抗和高磁导率的极致平衡优化，该器件旨在实现一款满足智能手机应用需求的4D集成三分量磁通门传感器芯片，为MEMS磁通门传感器芯片的大规模商业化开辟了道路。相关研究成果已经以“High resolution millimeter-level MEMS micro fluxgate sensor for large-scale commercialization in smartphone”为题发表于Sensors and Actuators A: Physical期刊。
图1 本文所提出MEMS磁通门传感器的三维示意图
传感器设计和制造
如图1所示，激励线圈和检测线圈构成两个电隔离的绕组，并以单片集成方式围绕在钴基非晶磁芯周围。一对键合焊盘向激励线圈注入正弦激励电流，形成沿磁芯纵轴方向的交变磁场，驱动磁芯在正、负状态之间周期性交替饱和。检测线圈通过另一对焊盘连接，不具备激励功能，而是用于将磁芯内随时间变化的磁通转换为感应电动势。
在无外部轴向磁场的情况下，正负激励半周期内的磁通反转过程在幅值和时间特性上具有理想的对称性。施加外部轴向磁场会对磁芯施加直流磁偏置，这会对两个磁通反转过程进行非对称调制，进而在检测线圈输出电压中产生明显的二次谐波分量。该二次谐波信号随后通过锁相放大器进行提取和解调，其幅值与外部轴向磁场的大小呈定量比例关系。
图2 MEMS磁通门传感器简化的制造工艺流程
本文所提出的MEMS磁通门传感器采用标准MEMS工艺制造。通过溅射、光刻、电镀、蚀刻等工艺的循环使用，在玻璃基板上逐层完成底层线路、连接导体、磁芯和顶层线路，形成完整的螺线管-磁芯结构。图2总结了MEMS磁通门传感器简化的制造工艺流程。
图3 MEMS磁通门传感器的示意图
图3展示了MEMS磁通门传感器的示意图。芯片减薄切割后的实际尺寸约为5.5 mm x 3.3 mm x 0.5 mm（含焊盘），工作层厚度约为120 μm。通过HP E4194A阻抗/增益相位分析仪测得，激励/检测线圈的实测电阻分别为3 Ω/5.6 Ω，与理论计算值基本一致。得益于更优的深宽比控制，传感器线圈具有较低的电阻值，有效抑制了传感器的热噪声。
传感器测试与结果
本文所制备的MEMS磁通门传感器灵敏度达904 V/T，测量范围为±100 T，噪声为0.018 nT/ Hz¹ᐟ²。这种毫米级MEMS磁通门传感器凭借良好的信噪比实现了pT级的低噪声性能。其功耗仅为10.8 mW，在1 s、5 min、1 h和12 h下的零偏漂移分别约为4.2 nT band、6 nT band、10.7 nT band和14.2 nT band，带宽为1 kHz。
图4 MEMS磁通门传感器的磁场响应
图5 MEMS磁通门传感器的噪声特性
图6 MEMS磁通门传感器在1 s、5 min、1 h和12 h下的零偏漂移
最后，研究人员总结了现有不同类型芯片级微型磁传感器的性能，如表1所示。所设计的毫米级MEMS磁通门传感器展现出良好的综合性能，在尺寸、量程、灵敏度和噪声之间实现了优异的平衡。与现有商用磁传感器相比，该传感器在尺寸、灵敏度、噪声方面具有显著优势，整体性能也更优。与基于其他原理的MEMS磁通门传感器相比，所提出的传感器在尺寸和噪声方面均表现出更好的综合优势。
表1 磁传感器关键参数对比
综上，本文所提出的毫米级MEMS磁通门传感器将通过4D集成技术实现芯片级三分量地磁传感，可满足智能手机高精度地磁探测应用的开发需求。未来的进一步研究将继续朝着尺寸更小的磁通门芯片方向推进，甚至可以实现真正毫米级、尺寸达1 mm的芯片，以达成更高的性价比，满足智能手机、无人机、机器人等更广泛的应用需求。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2026.118507
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