- 开发具有数字输出并结合磁阻抗元件的专用集成电路（ASIC）
- 数字自动校正技术即使电源电压波动也能稳定测量
- 为工业测量、环境测量、生物测量中的高精度磁传感做出贡献
改善所开发的磁传感器的检测灵敏度波动
*原论文中的数字被引用或修改。
米乐m6官方网站先进半导体研究中心（以下简称“AIST”）集成电路设计研究组首席研究员秋田一平与爱知制钢所合作开发了一种高灵敏度磁传感器，可以自动补偿由于制造变化和环境变化而导致的检测灵敏度波动。
工业测量、生物测量等各个领域都需要小型且高灵敏度的磁传感器。要将其应用于物联网等领域，灵敏度必须保持恒定。手动调节灵敏度的成本阻碍了小型、高灵敏度磁传感器应用的扩展。
这次AIST有独特设计的自动校正功能专用集成电路（以下简称“ASIC”），由爱知制钢所开发磁阻元件（以下简称“MI元素”），磁性检测灵敏度的波动被抑制到1/3。这种自动校正技术不需要特殊的测试模式来进行校正，并且可以在进行正常感测操作的同时在后台执行，因此有望降低成本。通过使用数字输出类型，我们实现了输出信号的易于处理和低功耗。这项技术有望扩大小型、高灵敏度磁传感器的应用范围。
这项技术的详细信息将于2024年2月18日至22日举行的2024年国际固态电路会议（ISSCC 2024）上公布。
各种领域都需要小型且高灵敏度的磁传感器，包括电流传感、无损检测、物联网环境传感等工业测量，以及脑磁图和肌磁图等生物磁测量。在这些应用程序中，皮克低特斯拉 (pT) 水平磁噪声高性能且不会被地磁等环境磁场饱和动态范围被要求。此外，由于需要小尺寸和低功耗，ASIC 设计起着重要作用。此外，ASIC 需要是易于用户操作的数字信号输出类型。
销售或公布了多种类型的数字输出型高灵敏度磁传感器，但磁检测灵敏度会因电源电压波动、温度波动和制造差异等环境变化而变化。这些变化通常通过对各个磁传感器进行手动调整来补偿，这会由于额外的测试步骤而增加传感器的成本。如果集成电路技术能够抑制磁检测灵敏度的这种变化，就有可能创造出高性能且廉价的磁传感器，这将加速社会实施，特别是对于物联网应用。
MI元件已知可用作高灵敏度磁传感器，并有望应用于低功耗磁测量系统。 AIST之前开发了用于MI元件的模拟输出型ASIC，与传统磁传感器相比，功率效率提高了1000倍（2022 年 2 月 19 日 AIST 新闻稿）。
这次，我们应用这些发现开发了一种新的 ASIC 电路，将 ASIC 从模拟输出类型更改为数字输出类型，实现了磁检测灵敏度的高稳定性，同时以低功耗保持高灵敏度性能。
开发的磁传感器由图1(a)所示的ASIC芯片和(b)所示的MI元件组成。 MI元件是通过在非晶合金线周围形成线圈来实现的。当电流脉冲施加到导线上时，MI 元件捕获与导线表面层产生的外部磁场成比例的磁通量变化。该磁通量变化被检测为通过线圈的感应电压。
感应电压通过 ASIC 内的信号处理电路从模拟信号转换为数字信号（图 1(c)）。此时数字信号通过负反馈电路转换回模拟信号，作为负反馈信号返回到输入级进行减法。该方法通常被认为是一种用于稳定电子电路和控制系统的操作的技术。这提高了信噪比，扩大了输入信号范围并稳定了磁检测灵敏度。然而，如果由于制造偏差或环境波动（例如温度或电源电压波动）而导致数字信号无法准确地转换为模拟信号（负反馈信号），则负反馈电路将无法正常工作，甚至可能会降低磁检测灵敏度。对于所开发的磁传感器，我们提出了一种新的数字自动校正技术，以校正导致磁检测灵敏度恶化的负反馈信号的意外变化，并在 ASIC 上实现。该技术的思路是监测负反馈信号，看其是否是预期的模拟值，然后动态调整负反馈电路的数字输出到负反馈信号的转换系数，以控制负反馈信号到预期的幅度。这可以在正常感测期间完成，因为数字自动校正单元还可以通过利用关于已知数字输出信号的信息来确定对于给定数字输出值负反馈信号应该是什么幅度，而不管输入磁场如何。预计即使环境发生变化，该方法也能够抑制磁检测灵敏度的波动。
图 1 (a) MI 设备的测量 ASIC 照片。 (b) MI 元素的概念图。 (c) 所开发的磁传感器的框图。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
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。如图2(a)所示，输入磁通密度范围为±80微特斯拉 (μT)，功耗为 4 mW。图 2(b) 显示了测得的噪声特性，每个特性在 10 kHz 信号带宽下的本底噪声均为 45 pT/√Hz。为了确认所开发的数字自动校正技术的有效性，我们对10个样品（芯片）测量了应用和不应用该技术的情况下，电源电压为14V至16V时磁检测灵敏度的变化。结果，我们确认通过应用数字校正技术，波动可以平均抑制到1/3。
所开发的磁传感器以低功耗实现了82 dB的宽动态范围，与传统数字输出型高灵敏度磁传感器相比，功率效率提高了三倍以上，并成功地显着减少了磁检测灵敏度的波动。
图2 (a) 所开发的磁传感器的输入/输出直流特性。 (b) 噪声谱密度。 (c)有和没有数字自动校正时磁检测灵敏度对电源电压的差异。
*原始论文中的数字被引用或修改。
未来，我们的目标是制造功耗更低、尺寸更小、功能更高的磁传感器。我们还将加深对适合社会实施、问题解决和大规模生产的电路技术的了解。此外，我们还将提出用于工业测量、无损检测和生物磁测量等应用的系统。
已出版的杂志：2024 IEEE 国际。固态电路会议。挖。技术。论文(ISSCC)
论文标题：基于磁阻抗的 ΔΣ 磁力计，具有背景增益校准和短时 CDS 技术
作者：秋田一平、立松俊一