高靈敏度磁傳感器信號處理電路的設(shè)計

趙 臣，王 玲，郝永平

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

高靈敏度磁傳感器信號處理電路的設(shè)計

趙 臣，王 玲，郝永平

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

由于傳感器自身的失調(diào)電壓以及外界干擾信號會造成磁場信號“飽和”現(xiàn)象，使正常的弱磁場信號被“湮沒”。本文采用基于隧道磁電阻技術(shù)的高靈敏度磁傳感器TMR2303進(jìn)行信號處理電路的設(shè)計來解決磁場信號經(jīng)過放大后引起的“飽和”問題。經(jīng)實驗測試，在復(fù)雜環(huán)境下該電路能夠較好的檢測出微弱磁場信號，且具有低功耗、體積小、抗干擾能力強(qiáng)以及低成本等優(yōu)點。

隧道磁電阻；TMR2303；高靈敏度；微弱磁場

目前，磁傳感器已廣泛應(yīng)用于汽車電子、能源、航空航天、組合導(dǎo)航以及飛行器控制等領(lǐng)域。磁傳感器主要是基于霍爾效應(yīng)(HALL)、各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)以及巨磁電阻(GMR)效應(yīng)或磁通門技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，這類磁場檢測方式存在靈敏度較低、線性度差以及外圍電路復(fù)雜等缺點[1]。隧道磁電阻(TMR)技術(shù)具有飽和磁場低、工作磁場小、靈敏度高、溫度系數(shù)小、線性度較好、動態(tài)范圍寬、高響應(yīng)頻率等優(yōu)點[2]，一定程度上彌補(bǔ)了前幾種技術(shù)的不足，在磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)、TMR磁頭和磁傳感器等自旋電子器件上頗受歡迎，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器通常使用聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)來放大磁場，提高霍爾輸出靈敏度，但增加了傳感器的體積和重量，同時霍爾元件具有功耗大、線性度差的缺陷。雖然AMR元件靈敏度比霍爾元件高很多，但其線性范圍窄，同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線圈對其進(jìn)行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作，造成其制造工藝復(fù)雜，線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度，但其線性范圍偏低[4-5]。

TMR2303器件采用推挽式惠斯通電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計，能有效地補(bǔ)償傳感器的溫度漂移；其內(nèi)部包含四個高靈敏度TMR敏感電阻，輸出信號的峰-峰值可達(dá)工作電壓的80%，降低了許多應(yīng)用中外部信號放大處理電路的復(fù)雜度，在部分應(yīng)用中甚至不需要進(jìn)行放大，減小了傳感器體積，降低了整體成本[6]。

但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于傳感器自身的失調(diào)電壓以及外界干擾信號會造成磁場信號“飽和”現(xiàn)象，導(dǎo)致輸入電壓與最終輸出電壓相等，使正常的弱磁場信號被“湮沒”，無法進(jìn)行有效的信號采集。常規(guī)試驗環(huán)境下，載體周圍存在的電機(jī)中的線圈、磁鐵都會對正常采集的磁場信號造成輻射耦合的干擾。針對以上的問題，本文采用基于隧道磁電阻技術(shù)的高靈敏度磁傳感器TMR2303進(jìn)行信號處理電路的設(shè)計，以解決磁場信號經(jīng)過放大后引起的“飽和”問題。

1 隧道磁效應(yīng)

在磁隧道結(jié)(MTJs)[7-8]中，TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)。飽和磁化時，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，其矯頑力通常不同，因此反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。隨著外加磁場角度變化，傳感器的輸出電壓呈正/余弦曲線。因此，可直接通過傳感器的輸出電壓得到磁體角度位移的變化。由于正弦或余弦曲線的非單調(diào)性，需要兩個磁敏感方向互相垂直的傳感單元提供的信息來最終確定磁體的角度。

圖1為隧道磁效應(yīng)原理圖。

圖1 隧道磁效應(yīng)原理

2 信號處理電路的設(shè)計

選用江蘇多維科技有限公司的TMR2303高靈敏度磁傳感器。在應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)磁傳感器可能會由于傳感器自身及外界各種干擾信號導(dǎo)致傳感器的失調(diào)電壓超出正常范圍，以至“湮沒”有效磁場信號。因此，設(shè)計如圖2所示電路來解決信號“湮沒”問題，提高電路的抗干擾能力。

由于所采集的地磁信號為微弱信號，該信號具有不穩(wěn)定、高內(nèi)阻等特點，因此磁信號處理電路采用二級放大電路，其放大倍數(shù)為150倍，輸出電壓為1.65V。其中，第一級由U1和U2組成兩個同相運算放大電路，可以減小信號源內(nèi)阻的影響，增大輸入阻抗，提高共模抑制比[9]；第二級由U3組成差分運算放大電路，將傳感器輸出的差分信號轉(zhuǎn)換為單輸出信號，通過基準(zhǔn)源VS7來抵消失調(diào)電壓并調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出。通過德州儀器公司的TINA-TI軟件繪制電路原理圖，信號處理電路設(shè)計如圖2所示，將此電路分別應(yīng)用于TMR2303的X、Y、Z三個敏感軸上。

3 仿真及實際測試

根據(jù)圖2所示的電路得出信號的幅頻響應(yīng)曲線，如圖3所示，說明該電路在一定失調(diào)電壓范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)最終信號的穩(wěn)定輸出。

圖2 磁信號放大電路設(shè)計圖

圖3 幅頻響應(yīng)曲線圖

由基準(zhǔn)電壓與失調(diào)電壓之間的關(guān)系，可根據(jù)傳感器原始信號的失調(diào)電壓確定基準(zhǔn)電壓值，保證放大信號正常且穩(wěn)定輸出，基準(zhǔn)電壓與失調(diào)電壓的關(guān)系見表1。

表1 基準(zhǔn)電壓與失調(diào)電壓之間的關(guān)系

由表1可以得出，基準(zhǔn)電壓Vref和失調(diào)電壓Voffset的計算公式：

Vref=0.0106×Voffset+1.7666

由上式可以擬合出如圖4所示的線性變化曲線。

圖4 基準(zhǔn)電壓與失調(diào)電壓關(guān)系

由于實驗條件限制暫時無法對干擾信號進(jìn)行實際的有效測量。根據(jù)設(shè)計的信號處理電路制作實物并經(jīng)過單軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行實際試驗測試，得到如圖5所示的信號波形圖(分別在600°/s和1000°/s的旋轉(zhuǎn)條件下測試)。

圖5 實驗測試

4 結(jié)束語

本設(shè)計是基于TMR2303傳感器在實際應(yīng)用中存在的磁場信號“飽和”現(xiàn)象而提出的一種電路設(shè)計方法，通過TINA-TI仿真分析并制作成實際電路板測試，該電路有效的防止了所采集到的磁場信號“飽和”現(xiàn)象，多級放大電路的設(shè)計改善了電路的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過實驗測試，放大的信號輸出穩(wěn)定，對于微弱信號的檢測非常靈敏，且電路具有低成本、低功耗等特點。

[1] 呂華,劉明峰,曹江偉，等.隧道磁電阻(TMR)磁傳感器的特性與應(yīng)用[J].磁性材料及器件,2012(3):1-4.

[2] 王琪.基于隧道磁阻傳感器的電子羅盤設(shè)計[D].太原:中北大學(xué),2015.

[3] 吉吾爾.吉里力,拜山·沙德克.隧道磁電阻效應(yīng)的原理及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報,2009,23(s1):338-340.

[4] Freitas P P,Ferreira R,Cardoso S,et al.Magnetoresistive Sensors[J].Journal of Physics Condensed Matter,2007,19(16):23-25.

[5] Egelhoff Jr W F,Pong P W T,Unguris J,et al.Critical challenges for pico Tesla magnetic tunnel junctionsensors[J].Sensors and Actualtors.2009(A115):217-225.

[6] MultiDimension Technology.TMR2303[DB/OL].(2011-08-16)[2016-10-23].http://www.dowaytech.com/1952.html.

[7] 韓秀峰,劉厚方,張佳,等.新型磁性隧道結(jié)材料及其隧穿磁電阻效應(yīng)[J].中國材料進(jìn)展,2013,32(6):339-353.

[8] 白海力,姜恩永.磁隧道結(jié)(MTJ)[J].科技通報,2001,46(2):92-99.

[9] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006:326-329.

[10] Texas Instruments.LMV771[DB/OL].(2004-05)[2016-10-25].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lmv771.pdf.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

TheDesignofHighSensitivityMagneticSensorSignalProcessingCircuit

ZHAO Chen,WANG Ling,HAO Yongping

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The offset voltage sensor and external interference signal can cause the magnetic signal of “saturation”,so the weak magnetic field signal can be “annihilation”.Using high-sensitivity magnetic sensor based on tunneling magneto-resistance technology TMR2303 signal processing circuit design to solve the signal which is amplified due to magnetic field signal“saturation”.Experiments in complex environments to test the circuit can be used to detect weak magnetic signals and has the advantages of low power consumption,small size,strong anti-jamming ability and low cost.

tunneling magneto resistance;TMR2303;high sensitivity;weak magnetic fields

TP212

A

2016-11-11

趙臣(1991—)，男，碩士研究生；通訊作者：王玲(1960—)，教授，研究方向：先進(jìn)控制理論及應(yīng)用。

1003-1251(2017)05-0018-04