米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）器件技术研究部先进集成电路研究组首席研究员秋田一平与爱知制钢所共同开发该产品磁阻抗元件（以下简称“MI元件”）用于测量专用集成电路（以下简称“ASIC”）并开发了低噪声、宽带磁传感器。该ASIC配备了新的信号处理电路，可以低功耗运行，并适当放大根据从MI元件获得的外部磁场而变化的电压信号。此外，数字自动校正电路最大限度地提高了MI元件的检测灵敏度，实现了低噪声和宽带特性。另外，常规磁通门型磁传感器归一化能量提高了 1000 倍。此外，与低归一化能量的集成磁通门磁传感器相比，我们实现了 1/100 的噪声降低。通过使用所开发的磁传感器，有望实现用于生物磁测量和工业测量的紧凑、高灵敏度、低功耗传感系统。
该技术的详细信息将于2022年2月20日至24日在线举行的2022年国际固态电路会议（ISSCC 2022）上公布。
已开发的磁传感器的性能比较
低噪声、宽带磁传感器在广泛的领域中都需要，包括脑磁图和脑磁图等生物磁学、自动驾驶、无损检测和电流传感。另一方面，为了避免因环境磁场波动而导致信号饱和，动态范围还要求高、低功耗运行。此外，在植入式生物磁测量等应用中，由于空间限制，磁传感器必须在几毫米量级，其他应用也要求磁传感器更小、更轻。
使用集成磁通门的芯片大小磁传感器已开发为小型宽带磁传感器。磁噪声但是纳米与特斯拉（nT）级别一样大。另一方面，皮克接近 Tesla (pT) 级别的低噪声磁传感器往往尺寸和驱动电流较大，这不利于紧凑实施。因此，对于生物磁测量等应用来说，同时实现低噪声、低功耗和小型化是一个挑战。
众所周知，MI元件可用作小型、低噪声磁传感器，并且由于它们可以抑制驱动电流，因此有望应用于低功耗磁测量系统。当使用 MI 元件实现磁传感器时，需要适当的驱动和信号处理技术来实现预期的低功耗和低噪声特性。
AIST 一直致力于模拟 ASIC 设计的研究和开发，以实现各种传感器设备的低功耗和高精度测量。通过应用这些发现并应用专有的模拟电路技术和特定于 MI 元件的数字算法，我们尝试创建一种紧凑、低噪声、高功率效率的磁传感器。
MI元件是通过在非晶合金线周围形成线圈来实现的，如图1(a)所示。这根线很快上升沿施加时，导线表层会产生与外部磁场成比例的磁通量。通过检测该磁通量变化作为通过线圈的感应电压，它作为磁传感器工作。注意，用于将外部磁场转换为感应电压的转换系数（灵敏度）随着施加到导线的电流脉冲的上升沿变得更陡而增加，因此可以实现更高的灵敏度。
获得的感应电压在适当的定时进行采样，然后由信号处理电路放大并输出。为了获得低噪声的输出信号，信号处理电路中必须消耗大量的功率，因此噪声和功耗之间存在权衡关系。在这项研究中，我们重新构建并优化了MI元件的电路配置和操作，并开发了可以实现低噪声和低功耗的信号处理电路。由于信号处理电路是主要的功耗部分，因此该技术极大地有助于降低整个磁传感器的功耗。
另一方面，为了进一步降低噪声并加宽输出信号的带宽，需要将感应电压的采样过程控制在纳秒量级，但由于设备之间的制造差异，这种控制传统上很困难。如果在不适当的时机对感应电压进行采样，MI元件的有效灵敏度将会降低，这将对噪声特性和信号带宽产生负面影响。为了解决这个问题，在本研究中，我们开发了一种数字自动校正技术来监控输出信号并校正采样时序，如图1（b）所示。这项技术是延迟同步电路，可以以高时间分辨率调整采样定时，并自动搜索有效MI元件灵敏度最大化的点。该校准过程使得无论设备之间的差异如何，都可以始终在最佳定时进行采样，并将噪声特性和信号频带控制在最佳条件。
图1(a) MI元件示意图。 (b) 所开发的磁传感器的框图。
(c) 用于测量 MI 设备的 ASIC 芯片照片。
我们制作了包含上述技术的 MI 元件测量 ASIC 原型，并将其作为磁传感器进行了评估。图 1(c) 显示了原型芯片的照片。如图2(a)所示，输入范围为±125微特斯拉 (μT)，无输入时的功耗为 26 mW。图2(b)和(c)显示了信号频带和噪声特性的测量结果，分别为33 kHz和10 pT/√Hz。此外，为了确认所开发的数字自动校正技术的有效性，图2（d）显示了应用该技术之前和之后五个磁传感器样本的信号频带和噪声特性图。从图中可以确认，自动校正后的信号频带和噪声特性较自动校正前有所改善。此外，该磁传感器实现了 93 dB 的高动态范围，传感器性能指标归一化能量为 16 pJ，功率效率是传统低噪声磁传感器的 1000 倍以上。
图2 (a) 所开发的磁传感器的输入/输出直流特性。 (b)频率特性。 (c) 噪声谱密度。
(d) 自动校正前后信号频带和噪声特性的变化（5 个样本测量）。
未来，我们的目标是进一步提高磁传感器的灵敏度和提高功率效率，并继续开发以将其集成到产品中。此外，我们还将推动生物磁测量和工业测量应用技术的研究和开发，并提出应用以开发新的应用。
已出版的杂志：2022 IEEE 国际。固态电路会议。挖。技术。论文（ISSCC）
论文标题：具有自动环路增益和带宽增强功能的 26mW 10pT/√Hz 33kHz 基于磁阻抗的磁力计
作者：秋田一平、川野武、青山仁、立松俊一、日置正一