微磁强计弱磁处理芯片设计与实现

吕奇超，刘玉娇，郑建勇，朱忠佳

（1.上海航天控制技术研究所，上海201109；2.上海市空间智能控制技术重点实验室，上海201109）

微磁强计弱磁处理芯片设计与实现

吕奇超1，2，刘玉娇1，2，郑建勇1，朱忠佳1

（1.上海航天控制技术研究所，上海201109；2.上海市空间智能控制技术重点实验室，上海201109）

为适应微纳卫星平台的应用需求、实现磁强计的微型化，针对巨磁阻抗（GMI）效应微磁强计的研制需求设计并研制了弱磁信号处理芯片。在分析GMI微磁强计构造的基础上，针对单机（微）小型化提出了弱磁信号处理电路芯片化的方案；结合空间应用特点，设计并实现了基于SOI CMOS工艺的弱磁信号处理芯片。实测结果表明：基于所研制的弱磁信号处理芯片不仅实现了磁强计的微型化、集成化，而且具有良好的弱磁测量性能。

微纳卫星；微磁强计；巨磁阻抗；SOI CMOS工艺

0 引言

以微纳卫星（≤100kg）为代表的微小卫星迅猛发展，日渐成为各种航天装备和空间应用系统的重要组成部分。在满足功能需求的前提下，微纳卫星平台要求“功能密度更高、体积更小、成本更低”，对姿轨控单机提出了近乎苛刻的要求［1］。三轴磁强计作为卫星平台的重要组成部分，向微型化、集成化、低功耗的方向发展也必将是未来的发展趋势。

基于巨磁阻抗（GMI）效应的磁强计因钴基非晶丝材料具有灵敏度高、无磁滞、响应快、稳定性好、磁阻抗变化率高、抗辐照特性好等特点，成为当前研究的热点［2-10］。为适应空间环境的应用需求，与之配套使用的弱磁信号处理电路不仅要实现微型化，还应具有良好的抗软失效、瞬时辐照和单粒子（α粒子）翻转的能力。SOI CMOS技术采用全介质隔离技术、抗电磁辐射能力强，相比传统的体硅技术，具有集成密度高、抗辐照特性好、工作温度范围大、工艺成本低等显著优势，被广泛应用于军事领域［11-12］。

为提高微磁强计的空间环境适应性，本文结合GMI微磁强计的研制，基于0.5μm、SOI CMOS工艺设计并实现了弱磁信号处理电路芯片；采用QFN封装实现了处理电路的集成化，并对研制的芯片进行了整机级的测试与验证。

1 微磁强计的工作原理

微型三轴磁强计是基于巨磁阻抗效应原理工作的。GMI效应是一种铁磁性材料的交流阻抗随外加磁场的变化而显著变化的现象，基于GMI研制了弱磁传感器结构如图1所示。

图1　弱磁传感器构造图Fig.1 The structure of micro magnetometer

如图1所示，在激励电流驱动下，传感器的感应线圈产生反映环境磁场特征的谐波信号，在实际使用过程中通常是从二次谐波中提取信息，将二次谐波通过特定的方法进行滤波、检波、整流、积分等，得到一个直流电压值，其符号表示外磁场与传感器轴向的相对位置，其大小表示外磁场在传感器轴向方向分量的大小。

基于GMI效应所研制的磁强计原理演示样机主要由三轴敏感元件和弱磁信号处理电路两部分组成。其中，单轴探头长度10mm、直径1mm，弱磁处理则由3块90mm×40mm电路板组成。因此，实现磁强计微型化设计的关键之一就是弱磁信号处理电路的芯片化设计与集成。

2 弱磁处理芯片设计

2.1弱磁处理芯片设计

微磁强计弱磁处理芯片设计流程主要包括初步功能设计、电路模块功能的划分及设计、前仿真、版图设计与验证、后仿真和后续处理等阶段。其中，电路模块功能划分及设计和版图设计与验证是集成电路设计中的重要步骤，前者决定了处理电路的功能划分，后者利用物理方法来实现经过模拟验证过的集成电路的所有单元和它们之间的连线。

（1）功能划分与设计

根据SOI CMOS芯片设计工艺流程和磁强计弱磁信号处理流程［9］，首先对单轴弱磁信号处理电路进行了电路模块功能的划分及设计，原理框图如图2所示。

图2　芯片电路原理框图Fig.2 The functional block diagram of the IC

磁强计电路芯片由振荡器、磁敏感元件前置放大电路、驱动放大电路、斩波电路、积分器、输出驱动电路、基准偏置电路组成。电路原理采用如图2所示的前期验证电路，对初期实验所用的分立器件线路优化设计而成。这样既降低了整个电路的总功耗，又提高了电路系统的抗干扰能力，整合了多个功能模块，减小了电路面积。

（2）版图设计

版图设计中考虑版图匹配思想包括两方面: 1）使所有的东西尽量理想，使要匹配的器件被相同的因素以相同的方式影响；2）把器件围绕一个公共点中心放置为共心布置，甚至把器件在一条直线上对称放置也可以看作是共心技术。共心技术对减少在集成电路中存在的热或工艺的线性梯度影响非常有效。

在本芯片中采用数模混合电路，很容易出现数字电路和模拟电路之间的干扰，如果不进行技术处理会直接影响芯片的功能和性能。考虑版图匹配技术包括以下方面:

1）考虑到芯片不同地方工作环境温度，需要匹配的器件尽量彼此挨近。

2）考虑到工艺刻蚀各向异性对元器件的影响，需要匹配的器件方向应相同。

3）选择单位器件做匹配，单位电阻电容彼此靠近方向相同放置以获得较好的匹配精度。

4）采用叉指型结构匹配。

5）虚拟器件（dummy device）使器件的中间部位与边缘部位所处环境相同，刻蚀时不会使器件自身不同部位不匹配。

6）采用轴对称的布局和四角交叉的布局，以缓解热梯度效应和工艺梯度效应的影响。

7）对于差分信号线，在设计中彼此靠近，采用相同长度使得寄生效应相同，延迟时间常数相同，信号上升下降时间相同。

8）选择采用宽度相同且折中尺寸大的器件以减小工艺刻蚀偏差所占的比例。

9）为了减小电路的噪声和干扰，将数字部分与模拟部分尽量远隔；利用保护环把噪声锁在环内，使得电压噪声、电流噪声在衬底中传播时被接地通孔吸收；利用屏蔽层、屏蔽线对关键信号和噪声严重的信号线屏蔽；在电源线和地之间加大的退耦电容，使得高频噪声容易通过退耦电容被地吸收。

如图3所示，版图采用模块化设计，每个模块外围均有地线环和电源环围绕，模块间也有地线间隔，最大程度减小模块间互相干扰，防止闩锁发生。模块间互连线采用底层金属，整个模块表面（包括模块间互连线）全部用顶层金属（电源线）覆盖。这样整个芯片的功能模块被底层衬底为最低电位地线和顶层的金属层包围在中间，屏蔽了外来信号的干扰。

图3　微磁强计完整IC版图Fig.3 The complete IC layout of the micro magnetometer

2.2弱磁处理芯片实现与分析

将经过后仿真与处理的版图文件生成GDSII文件交付半导体器件厂家，采用SOI CMOS工艺进行工程投片，整个工艺流程如图4所示。

图4　微磁强计SOI工艺流程Fig.4 The SOI CMOS technology used for the micro magnetometer

如图4所示，在SOI技术中，器件仅制造于表面很薄的硅膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层隔开，这种独特的结构使得SOI技术具有体硅器件无法比拟的优点［12］:

1）速度高:由于SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点，因此SOI CMOS电路具有较好的速度特性。

2）功耗低:功耗包括静态功耗和动态功耗两部分。静态功耗PS依赖于泄漏电流IL和电源电压VDD，由于SOI器件漏电流很小，静态功耗很低。动态功耗PA由电容C、工作频率f和电源电压VDD所决定。在SOI电路中，结电容的减小会大大降低动态功耗。

3）抗辐照特性好:SOI技术采用全介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路的闩锁效应，且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效、瞬时辐照和单粒子（α粒子）翻转的能力，可以减少软误差2～3倍。

4）集成密度高:SOI电路采取介质隔离，它不需要制备体硅CMOS电路的阱等复杂隔离工艺，器件的最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成度大幅度提高。

5）工作温度范围大:普通的体硅电路工作的极限温度为250℃，而基于注氧隔离技术的SOI器件能够在350℃条件下工作。

6）工艺成本低:一般认为SOI技术成本高，实际上SOI技术除了衬底材料比体硅材料高以外，其他成本均低于体硅；SOI CMOS电路制造工艺比典型的体硅工艺至少少用3块掩膜板、减少13％～20％的工序。

2.3芯片集成与封装

当包含弱磁信号处理能力的晶圆表面的裸片在实验室内完成了电测，并确定电路功能运行正常后，裸片将会按照功能单元进行切割并被组装到保护性的封装体中，与其他的器件以混合形式或多组芯片形式安装在一起才能在电路系统中使用。

对于微磁强计而言，由于所设计的1个裸片，尺寸为1.3mm×1.1mm，只具有单轴磁信号处理能力；若要实现三轴测量能力，需要对裸片进行集成与封装设计。

由于QFN封装具有体积小、质量小、电性能和热性能优异、工艺成熟稳定等特点，经过整机方案论证与比较［9］，芯片采用24脚QFN封装。如图5所示，将2片测试后的裸露芯片按照应用要求组装到1个单独保护性的、可通过导电焊盘与外围应用电路实现电气连接的封装体中，形成1个可用的弱磁信号处理芯片，尺寸为约为4mm× 4mm。这样，1套微磁强计只需2片封装后的芯片即可，极大地集成了单机的功能密度。

图5　弱磁处理芯片与微磁强计Fig.5 The weak magnetic signal processing IC and the micro magnetometer

3 性能测试

以X轴为例，对微磁强计弱磁信号处理芯片分别从动态量程和分辨率两方面进行了集成测试。

（1）动态量程测试

将磁强计X敏感轴沿亥姆赫兹线圈系统内部轴向放置，调节函数发生器产生幅值为±11V、频率为0.1Hz的正弦激励信号，加载于亥姆赫兹线圈使其内部产生±0.5Gs均匀稳定的磁场。图6所示为磁强计X敏感轴在±0.5Gs磁场环境下的电压响应输出，可以看到在±0.5Gs磁场强度范围内，敏感器输出电压大约为0V～5V，在全量程范围内线性度较好，满足要求。

（2）磁强计分辨率测试

将磁强计X敏感轴沿亥姆赫兹线圈系统内部轴向放置，调节函数发生器分别产生幅值为±1.8mV、频率为10Hz和幅值为±2.8mV、频率为15Hz的正弦激励信号，加载于亥姆赫兹线圈使其内部产生10nT的均匀稳定磁场。图7所示为X敏感轴输出响应，纵轴为输出幅值（V），横轴为相应频率（Hz）。可以看到，在正弦激励作用下，X敏感轴最大响应输出为0.2mGs，在10Hz和15Hz的频点，磁强计X轴输出响应明显，比其他频率输出响应高10 dB～15dB，满足分辨率要求。图7（a）、图7（b）都在50Hz检测到1个信号，这很明显是工频电源的干扰。

图6　X轴输出电压与磁场强度关系Fig.6 The relationship between X-axis output voltage and magnetic field intensity

图7　不同频率的正弦激励下X轴输出频谱响应Fig.7 The spectrum response of the X axis under different frequencies of sinusoidal excitation

4 结论

本文介绍了基于GMI效应微磁强计弱磁处理电路的芯片设计与实现。在分析微磁强计组成的基础上，结合IC设计流程针对弱磁处理芯片研制中的关键技术进行了设计与分析，研制了基于SOI CMOS工艺弱磁处理芯片。本文设计的芯片具有低功耗、抗辐照性能好、温度稳定性高的特性，经实测，其动态量程、分辨率等满足微纳卫星平台的应用要求。同时，本文所介绍的弱磁处理芯片的开发流程，对其他平台产品的集成化、芯片化设计具有一定的借鉴意义。

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Design and Fabrication of Weak Magnetic Signal Integrated Circuit Used for Micro Magnetometer

LV Qi-chao1，2，LIU Yu-jiao1，2，ZHENG Jian-yong1，ZHU Zhong-jia1
（1.Shanghai Aerospace Control Technology Institute，Shanghai 201109；2.Shanghai Key Laboratory of Aerospace Intelligent Control Technology，Shanghai 201109）

With the demand of micro satellite to obtain attitude angle using magnetic field vector and realize the micromation of the magnetometer，this paper designs and makes a weak magnetic signal processing integrated circuit.Based on the analysis of the compose of micro magnetometer，a design of the weak magnetic signal integrated circuit was proposed；considering the character of the space，the SOI CMOS technology was adopted to fabricate the circuit.The experiments result show that using the IC，the micro magnetometer not only realizes the micromation and integration，but also has the high performance of detecting the weak magnetic signals.

micro satellite；micro magnetometer；giant magneto-impedance；SOI CMOS technology

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01176

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.012

吕奇超，男，硕士，工程师，研究方向为空间执行机构的研发和单机产品的研制与测试。

2015-08-07