基于電/磁轉(zhuǎn)換的海洋電場(chǎng)檢測(cè)方法

于 洋，潘孟春，陳棣湘，潘 龍，胡靖華，胡佳飛

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

基于電/磁轉(zhuǎn)換的海洋電場(chǎng)檢測(cè)方法

于 洋，潘孟春，陳棣湘，潘 龍，胡靖華，胡佳飛

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

傳統(tǒng)的直接電測(cè)量方法受1/f噪聲限制，在低頻處信號(hào)與噪聲發(fā)生混疊，難以實(shí)現(xiàn)高水平低噪聲測(cè)量。該文提出一種基于電/磁轉(zhuǎn)換的海洋電場(chǎng)低噪聲檢測(cè)方法，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為磁信號(hào)，通過(guò)微機(jī)械的方法將磁信號(hào)調(diào)制到高頻，有效避開(kāi)低頻1/f噪聲影響。設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)電/磁轉(zhuǎn)換功能的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用TMR電阻構(gòu)成惠斯通電橋測(cè)量磁信號(hào)，實(shí)現(xiàn)海洋電場(chǎng)的高水平低噪聲檢測(cè)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在1Hz處噪聲分別達(dá)到，優(yōu)于傳統(tǒng)電測(cè)量方案的噪聲水平，驗(yàn)證該方法的有效性。

海洋電場(chǎng)；低噪聲；1/f噪聲；電/磁轉(zhuǎn)換；微機(jī)械調(diào)制

0 引 言

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)利用各種傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)連續(xù)對(duì)海洋環(huán)境要素進(jìn)行測(cè)量，對(duì)我國(guó)海洋安全和國(guó)防發(fā)展具有重要意義，已列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要[1]。

海洋電場(chǎng)測(cè)量是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段，而被測(cè)材料自身的介電常數(shù)與海水不同，將會(huì)引起一定海域內(nèi)電場(chǎng)的變化。因此，可通過(guò)研究不同目標(biāo)進(jìn)入該海域?qū)е碌碾妶?chǎng)變化，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，這一方法被稱為海洋電磁探測(cè)法[2]。該方法已得到廣泛關(guān)注與發(fā)展，英國(guó)甚至已將其廣泛地應(yīng)用于海洋勘探中。在海洋電場(chǎng)勘探中，信號(hào)放大、去噪過(guò)程對(duì)于真實(shí)信號(hào)的還原起著至關(guān)重要的作用，因此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低噪聲放大對(duì)于電場(chǎng)傳感器的整體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的電測(cè)量方法檢測(cè)海洋電場(chǎng)，是通過(guò)電極的電化學(xué)反應(yīng)將海洋電場(chǎng)信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，輸入到低噪聲放大電路進(jìn)行信號(hào)放大、去噪，最終結(jié)果通過(guò)檢測(cè)電路進(jìn)行測(cè)量[3]，其示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)電測(cè)量方法測(cè)量海洋電場(chǎng)示意圖

海洋電場(chǎng)頻率較低，一般只有幾赫茲[4-5]，目前國(guó)外低噪聲放大器（LNA）在低頻段的噪聲性能不佳，主要體現(xiàn)在放大器器件的本底低頻1/f噪聲嚴(yán)重，因此低頻信號(hào)能量較低難以直接實(shí)現(xiàn)放大。國(guó)內(nèi)在低頻LNA領(lǐng)域的研究則更為局限。尹亞蘭等[6]結(jié)合超低頻的噪聲特點(diǎn)和抗干擾原則，提出超低頻LNA的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)測(cè)75 Hz處噪聲電壓劉勇等[7]進(jìn)行了低頻LNA的設(shè)計(jì)和性能分析，所制備樣機(jī)在30～300Hz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)為1.08dB，30Hz處噪聲電壓為國(guó)內(nèi)關(guān)于低頻LNA領(lǐng)域的噪聲研究多局限于幾十赫茲以上，在1Hz處的噪聲更大。目前，普通低噪聲放大電路在1Hz處的噪聲大于Texas Instruments公司在低頻低噪聲放大領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先，該公司的opa211前置放大器在1Hz處的噪聲電壓可達(dá)到

由此可見(jiàn)，受制于噪聲匹配以及1/f噪聲等因素，傳統(tǒng)的電測(cè)量方法很難對(duì)低頻海洋電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。本文采取電/磁轉(zhuǎn)換的方法，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可以避開(kāi)低頻電噪聲干擾等因素的影響，再通過(guò)微機(jī)械方法將磁信號(hào)調(diào)制到高頻，所設(shè)計(jì)出的電/磁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在1 Hz處的噪聲達(dá)到可有效解決1/f噪聲的限制。

1 電/磁轉(zhuǎn)換的方法與模型

磁隧穿電阻（tunnelling magneto resistance，TMR）[8]，具有磁阻變化率大，飽和磁場(chǎng)較低、單位磁場(chǎng)靈敏度高及溫度特性較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了一種基于TMR的電/磁轉(zhuǎn)換測(cè)量方法，其基本原理是通過(guò)線圈將微弱的低頻電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)由磁聚集器將磁場(chǎng)放大，采用垂動(dòng)調(diào)制的方法將外磁場(chǎng)調(diào)制至高頻，最后利用TMR進(jìn)行敏感測(cè)量。該方法能夠避免在信號(hào)和噪聲在低頻處的混疊，從而能夠大大降低1/f噪聲的影響。圖2為海洋電場(chǎng)信號(hào)的處理過(guò)程。其中，微機(jī)械調(diào)制的工作原理如圖3所示。

圖2 海洋電場(chǎng)信號(hào)的處理過(guò)程

圖3 微機(jī)械調(diào)制工作示意圖

當(dāng)調(diào)制膜工作在狀態(tài)1時(shí)，磁力線從磁聚集器穿過(guò)氣隙，此時(shí)氣隙的磁場(chǎng)較大；當(dāng)調(diào)制膜為狀態(tài)2時(shí)，磁力線從磁聚集器經(jīng)由調(diào)制膜到磁聚集器，而基本不會(huì)穿過(guò)氣隙，此時(shí)氣隙的磁場(chǎng)較小。調(diào)制膜隨振動(dòng)結(jié)構(gòu)以固定頻率f上下振動(dòng)，氣隙中的磁場(chǎng)則被調(diào)制，調(diào)制頻率為f[9]。

1.1 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

基于TMR電阻電/磁轉(zhuǎn)換方法的微機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)前視圖和俯視圖

如圖4（a）所示，在硅基底上生長(zhǎng)18μm厚的高導(dǎo)磁材料薄膜作為磁聚集器，兩薄膜中氣隙寬30μm。高導(dǎo)磁材料的磁力線聚集效果使得氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度倍增。

圖4（b）中的磁敏感單元為4個(gè)TMR電阻，并構(gòu)成惠斯通電橋。其中，氣隙中兩個(gè)TMR電阻用于敏感外磁場(chǎng)，另外兩個(gè)TMR電阻置于高導(dǎo)磁材料薄膜下，不敏感外磁場(chǎng)，起補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

采用圖4所示的C型結(jié)構(gòu)相比常用的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，磁力線可以經(jīng)C型臂更好地聚集而非發(fā)散，更高地聚集放大倍數(shù)。被測(cè)電流通過(guò)線圈在氣隙處產(chǎn)生磁場(chǎng)，經(jīng)磁聚集器后磁場(chǎng)進(jìn)一步放大，垂動(dòng)調(diào)制膜以固定頻率f上下振動(dòng)將氣隙處低頻磁場(chǎng)調(diào)制到高頻處，最終利用MTJ惠斯通電橋?qū)Ω哳l磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)海洋電場(chǎng)的低噪聲檢測(cè)。

1.2 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的測(cè)量原理

磁場(chǎng)測(cè)量采用圖5所示惠斯通電橋，電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)主要通過(guò)TMR電阻測(cè)量通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)。該TMR電阻的工作原理可簡(jiǎn)化如圖6所示，Ui為線圈的輸入電壓，Uo為T(mén)MR電阻的輸出電壓，Ii為線圈的電流。Uo與Ii存在關(guān)系式：

圖5 磁場(chǎng)測(cè)量橋式電路

圖6 TMR電阻測(cè)量原理圖

式中m為電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移電阻，Ω。

圖6所示原理圖可看作輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，源內(nèi)阻為R，輸入電阻為線圈電阻Ri的二端口網(wǎng)絡(luò)，則有：

可知其放大倍數(shù)：

電/磁轉(zhuǎn)換的方法通過(guò)測(cè)量在待測(cè)電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)影響下TMR電阻的變化，測(cè)得外磁場(chǎng)的強(qiáng)度，利用待測(cè)電流與外磁場(chǎng)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。

在沒(méi)有外磁場(chǎng)影響的情況下，R′=R，輸出電壓Uo=0V。當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)TMR電阻的靈敏度為K（單位為 Ω/T），此時(shí) R′=R+K·B，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出電壓為

上式可以得到輸出電壓與磁場(chǎng)之間的關(guān)系，則通過(guò)測(cè)量輸出電壓可以得到外磁場(chǎng)。

設(shè)通電圓環(huán)導(dǎo)線中心產(chǎn)生磁場(chǎng)[10]為

式中：μ——磁導(dǎo)率；

b——圓環(huán)半徑；

I——通電導(dǎo)線的電流。

聯(lián)系式（4）和式（5），最終可以得到線圈電流與磁場(chǎng)測(cè)量橋式電路輸出電壓的關(guān)系，輸出電壓Vo可以看成是輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路后所得到的信號(hào)。

1.3 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的噪聲模型

通過(guò)上述分析，可以得到如圖7所示的噪聲模型，et為信號(hào)源內(nèi)阻的熱噪聲；eni為電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的等效輸入噪聲電壓。

圖7 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲模型

此時(shí)，電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)總等效輸入噪聲為

2 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的仿真分析

通過(guò)Comsol軟件對(duì)電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，硅基底的相對(duì)磁導(dǎo)率定義為1，高導(dǎo)磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率定義為500，共繞制300匝線圈，線圈電流為1mA，惠斯通電橋電源電壓為12V。沿圖8中中心線（即圖中虛線）測(cè)量磁通密度模強(qiáng)度，結(jié)果如圖9所示。

圖8 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)俯視圖

圖9 沿中心線磁通密度模強(qiáng)度圖

由圖看出，在磁敏感單元中心兩側(cè)，磁通密度模強(qiáng)度基本對(duì)稱，這是由結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性決定的。在磁敏感單元中心處磁通密度模強(qiáng)度最大，約為2.9×10-3T。

所采用磁敏感單元對(duì)氣隙處磁場(chǎng)的靈敏度為18mV/（V·mT）。該 TMR 電阻在 1Hz處的噪聲水平為以垂動(dòng)調(diào)制膜將頻率調(diào)制到1 kHz處，此時(shí)的噪聲水平只有實(shí)測(cè)的調(diào)制效率約為30%，因此轉(zhuǎn)移電阻為

其中，磁敏感體測(cè)量的磁場(chǎng)B=2.9 mT，供電電壓U=12V，磁敏感單元的靈敏度 S=18mV/（V·mT）。

通過(guò)仿真分析得到線圈內(nèi)阻為Ri≈12 Ω，海洋電場(chǎng)測(cè)量電極的電阻一般為歐姆量級(jí)[12]，則可認(rèn)為一對(duì)測(cè)量電極的內(nèi)阻為電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的電源電阻，約為10 Ω，所以電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)總的等效輸入噪聲：

通過(guò)電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，在1 Hz處噪聲為由此可見(jiàn)，電/磁轉(zhuǎn)換方法在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的過(guò)程中能有效降低電路噪聲。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，高導(dǎo)磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約為500，通過(guò)MEMS工藝手段設(shè)計(jì)微型結(jié)構(gòu)，在硅基底上生長(zhǎng)電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過(guò)MEMS工藝手段直接生長(zhǎng)在模塊單元上，降低了繞線的難度，同時(shí)使線圈與磁性材料之間足夠接近，加強(qiáng)聚集效果，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

為測(cè)得電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的等效輸入噪聲，對(duì)該結(jié)構(gòu)的電壓放大倍數(shù)A與輸出噪聲eNo進(jìn)行測(cè)量，則等效輸入噪聲eni=eNo/A。測(cè)量結(jié)果如下：

圖10 線圈生長(zhǎng)實(shí)物圖

1）電壓放大倍數(shù)A

①通過(guò)萬(wàn)用表直接測(cè)量輸入電阻，測(cè)得輸入電阻Ri=13 Ω，與理論值基本一致；②采用電流源作為輸入信號(hào)，輸入電流Ii=3 μA，同時(shí)測(cè)量輸出電壓為Uo=0.5mV，轉(zhuǎn)移電阻m=Uo/Ii=167Ω。參考式（3）得到電壓放大倍數(shù)A=12.8。

2）輸出噪聲eNo

對(duì)電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的噪聲性能進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)前文提到的噪聲模型進(jìn)行分析。為了盡量減小外界磁場(chǎng)的影響，在磁屏蔽室測(cè)量微機(jī)械結(jié)構(gòu)的輸出噪聲（實(shí)驗(yàn)溫度26℃，相對(duì)濕度45%RH）。在輸入端短接的情況下，測(cè)得電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的輸出噪聲密度譜，如圖11所示。

圖11 電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的輸出噪聲密度譜

由圖中可以看出，在1kHz處，電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的輸出噪聲電壓密度約為密度譜有些毛刺，是因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境的屏蔽性能有限，不能完全屏蔽地磁場(chǎng)以及環(huán)境磁場(chǎng)噪聲，環(huán)境磁場(chǎng)噪聲會(huì)產(chǎn)生一定的輸出噪聲。

調(diào)制結(jié)構(gòu)的諧振頻率約為1kHz，此時(shí)磁敏感單元的噪聲密度為因此可得到電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)總的等效輸入噪聲為eni=eNo/A≈而普通前置放大電路在1 Hz以下的噪聲電壓大于可見(jiàn)電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠有效抑制噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）本文通過(guò)理論分析，驗(yàn)證了電/磁轉(zhuǎn)換方法的可行性，提供了一種微弱信號(hào)檢測(cè)的新方法。

2）通過(guò)對(duì)電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在1Hz處噪聲可以達(dá)到電路噪聲得到了有效抑制。

3）通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸以及材料的選擇，選用更高靈敏度的TMR，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該電/磁轉(zhuǎn)換微機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為更低噪聲測(cè)量提供了可靠的手段。

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（編輯：李妮）

Marine electric field detection method based on electric/magnetic conversion

YU Yang，PAN Mengchun，CHEN Dixiang，PAN Long，HU Jinghua，HU Jiafei
（College of Mechatronics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Limited by 1/f noise，traditional electrical measurement has difficulties in achieving high-level low noise characterization as a result of signal aliasing with noise at low frequency.In this article，a new weak marine signal low noise detection technique based on electric/magnetic conversion method was proposed.Electric signal was converted into magnetic signal，and then modulated to high frequency through micromechanics，which could avoid the impact of low frequency 1/f noise.Structure based on electric/magnetic conversion was designed.TMR based Wheatstone bridge was used in magnetic signal measurement to realize marine signal’s high-level characterization.The results of simulation and experiment show that the low frequency noise of this module can reachat 1Hz respectively，which is better than normal lownoise pre-amplifier，illustrating the effectiveness of this magnetic measuring current model.

marine electric field； low noise； 1/f noise； electric/magnetic conversion； micromechanics modulation

A

1674-5124（2017）04-0125-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.026

2016-08-10；

2016-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（51507178，U1430105，51175507）

于 洋（1991-），男，河北永清縣人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楹Ｑ箅妶?chǎng)傳感器設(shè)計(jì)與制備研究。