面向磁阻傳感器的低噪聲磁滯補(bǔ)償系統(tǒng)*

孫 琨， 潘孟春， 胡靖華， 胡佳飛， 杜青法， 潘 龍

(國(guó)防科技大學(xué) 儀器科學(xué)與技術(shù)系，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

20世紀(jì)以來(lái)，基于量子理論的磁電子學(xué)發(fā)展迅猛，各種磁性新理論、新材料快速發(fā)展，并迅速在信息存儲(chǔ)、工業(yè)電子、科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。其中以巨磁電阻(giant magneto resistance,GMR)/ 隧穿磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)為代表的高性能磁傳感器因體積小、功耗低、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在弱磁信號(hào)的高分辨率測(cè)量中扮演重要角色。但GMR/TMR敏感體內(nèi)部由于磁疇間的內(nèi)應(yīng)力、晶格之間摩擦力以及外力不均勻等因素的影響，導(dǎo)致其輸出響應(yīng)中存在明顯的磁滯以及非線性現(xiàn)象，嚴(yán)重影響及制約了磁場(chǎng)測(cè)量精度及準(zhǔn)確性[2,3]。因此為提高GMR/TMR磁傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量精度，需要對(duì)其磁滯效應(yīng)進(jìn)行有效抑制。目前,針對(duì)GMR/TMR磁傳感器的磁滯抑制方法大體可劃分為3種:

1)基于物理原理或者數(shù)學(xué)方法，建立傳感器輸出的磁滯模型，從而較準(zhǔn)確描述鐵磁材料的局部磁滯曲線，總體而言，磁滯數(shù)學(xué)模型[4～7]形式復(fù)雜，其密度函數(shù)的求取需要足夠多的訓(xùn)練樣本和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)，才可以保證磁滯模型精度。

2)從磁滯產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理出發(fā)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化減小磁滯效應(yīng)。Urbaniak M等人[8]用NiFe/Cu多層膜來(lái)代替原來(lái)的NiFe膜，并改變其厚度，實(shí)現(xiàn)了GMR磁敏感體磁滯的降低。Aslibeiki B等人[9]研究發(fā)現(xiàn)不同的退火溫度可以改變材料的磁滯。然而上述方法在減小磁滯改善非線性的同時(shí)，其靈敏度往往會(huì)受到很大損失[10]。

3)通過(guò)磁場(chǎng)跟蹤補(bǔ)償方法對(duì)GMR磁敏感體磁化狀態(tài)的跟蹤控制實(shí)現(xiàn)磁滯抑制。Qian Z等人[11]引入補(bǔ)償系統(tǒng)，通過(guò)線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)，在磁敏感體處補(bǔ)償?shù)敉獯艌?chǎng)，從而使磁電阻傳感器工作在穩(wěn)定磁場(chǎng)，從而減小磁滯。但若要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償磁場(chǎng)的精確調(diào)控，補(bǔ)償系統(tǒng)需要低噪聲補(bǔ)償電流源，目前有關(guān)該方法在GMR磁傳感器領(lǐng)域還鮮有應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題本文提出了一種針對(duì)磁阻傳感器的低噪聲磁滯補(bǔ)償系統(tǒng)，通過(guò)基于數(shù)字信號(hào)處理器(digtal signal processor,DSP)控制高穩(wěn)定電流源產(chǎn)生補(bǔ)償電流，通過(guò)微補(bǔ)償線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)，使得GMR/TMR敏感體處產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)中。在減小磁敏感體磁滯的同時(shí)，抑制補(bǔ)償電流噪聲。

1 補(bǔ)償原理與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 補(bǔ)償原理

本文提出的補(bǔ)償方法原理如圖1 所示，GMR/TMR磁傳感器在外磁場(chǎng)中，會(huì)感應(yīng)到外磁場(chǎng)的變化，并將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給DSP，通過(guò)DSP核心模塊控制補(bǔ)償電流源實(shí)現(xiàn)精密電流控制，產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)趨勢(shì)相反的磁場(chǎng)。補(bǔ)償磁場(chǎng)在GMR/TMR磁傳感器處與外磁場(chǎng)疊加，使得其敏感的是一個(gè)恒定磁場(chǎng)，即設(shè)定的工作點(diǎn)。通過(guò)補(bǔ)償使得敏感體所在磁場(chǎng)穩(wěn)定，從而大幅減小傳感器在外場(chǎng)變化下所產(chǎn)生的磁滯。

圖1 補(bǔ)償原理

1.2 微補(bǔ)償線圈的設(shè)計(jì)與制備

微補(bǔ)償線圈需要具有低電阻抗和高勵(lì)磁系數(shù)特性，從而降低對(duì)電流源的帶負(fù)載要求。利用平行電流產(chǎn)生平面磁場(chǎng)原理，基于COMSOL有限元仿真設(shè)計(jì)微線圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真結(jié)果如圖3所示，其有效電磁感應(yīng)常數(shù)可達(dá)1 970.6 nT/mA，若補(bǔ)償50 000 nT的地磁場(chǎng)，單線圈僅需要約48 mA的補(bǔ)償電流。

圖2 微補(bǔ)償線圈模型

圖3 補(bǔ)償磁場(chǎng)仿真結(jié)果

本文采用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-eletro-mechanical system,MEMS)工藝制作微補(bǔ)償線圈，工藝流程如圖4，所設(shè)計(jì)的微線圈寬度為75 μm，線間距為25 μm，厚度為4 μm，匝數(shù)15匝，導(dǎo)線材料為銅，電阻值約8 Ω。微補(bǔ)償線圈的實(shí)物如圖5所示，實(shí)測(cè)電阻值約9 Ω，最大功耗約為11.6 mW，滿足系統(tǒng)的低功耗要求。

圖4 補(bǔ)償線圈工藝流程

圖5 MEMS加工實(shí)物

1.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6給出了補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件框圖，DSP核心模塊通過(guò)多通道緩沖串行口(multichannel buffered serial port,MCBSP)控制20 bit-數(shù)/模(D/A)輸出高精密電壓，從而控制壓控電流源的輸出電流，并將電流施加在微線圈上形成補(bǔ)償磁場(chǎng)。同時(shí)基于高精密電阻器實(shí)現(xiàn)I-V取樣，從而將施加在微線圈上的電流轉(zhuǎn)換為電壓，并通過(guò)24 bit-A/D采集送至DSP核心模塊實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。

圖6中的預(yù)處理電路主要用于對(duì)D/A輸出信號(hào)的電壓跟隨和濾波。壓控電流源電路通過(guò)負(fù)反饋電路分壓實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電流的運(yùn)放采用大電流運(yùn)算放大器OPA544T，可支持高達(dá)2A的電流輸出。因制備的微線圈的電阻值為10 Ω左右，因此,設(shè)計(jì)的用于阻抗匹配高精密電阻值為10 Ω。因D/A和模/數(shù)(A/D)的信噪比都達(dá)到了近110 dB，并且基準(zhǔn)源采用的是超低噪聲電壓基準(zhǔn)源芯片MAX6325,因此,所設(shè)計(jì)的電路噪聲有望在10-6量級(jí)。圖7給出了磁阻傳感器的磁滯補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)物。

圖6 補(bǔ)償系統(tǒng)硬件框圖

圖7 磁阻傳感器的磁滯補(bǔ)償系統(tǒng)硬件電路實(shí)物

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證所研制系統(tǒng)的性能，檢驗(yàn)提出方法的有效性，搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，包括電流源噪聲測(cè)試，微線圈勵(lì)磁系數(shù)測(cè)量，磁滯補(bǔ)償效果評(píng)估等。

2.1 電流源噪聲測(cè)試

通過(guò)對(duì)比6位半精密萬(wàn)用表(KEITHLEY 2010)和24 bit-A/D采集的電壓，進(jìn)行電流源噪聲測(cè)試。每間隔1 s，測(cè)試電壓從10 Ω的取樣電阻器上采集，用以表征電流噪聲。通過(guò)測(cè)量電流源的均方根誤差(root mean square error,RMSE)評(píng)價(jià)其噪聲水平。圖8給出了室溫條件下(25 ℃)電壓測(cè)量結(jié)果，可以看出，其高精密萬(wàn)用表測(cè)得的RMSE為3×10-6，而DSP測(cè)得的約5×10-6，與萬(wàn)用表基本一致，2種測(cè)試方法的誤差是由于A/D芯片自身的增益誤差導(dǎo)致的。

圖8 電流噪聲測(cè)試

2.2 微線圈勵(lì)磁系數(shù)測(cè)量

為測(cè)量微線圈的勵(lì)磁補(bǔ)償系數(shù)，可通過(guò)外置線圈對(duì)比的方法進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，其中外置線圈已經(jīng)通過(guò)高精度磁傳感器標(biāo)定，其勵(lì)磁系數(shù)為115.5 nT/mA。首先通過(guò)外置線圈產(chǎn)生一個(gè)微小的正向磁場(chǎng)使得MR輸出發(fā)生變化，然后通過(guò)微線圈產(chǎn)生一個(gè)反向電流，抵消MR輸出的變化。圖9 給出了微線圈勵(lì)磁系數(shù)測(cè)量結(jié)果，由斜率(0.062 8)可計(jì)算出微線圈的勵(lì)磁系數(shù)為1 839.2 nT/mA。因此，在 54.37 mA補(bǔ)償電流下，可產(chǎn)生±50 000 nT的補(bǔ)償范圍，僅僅產(chǎn)生250 pT的噪聲。

圖9 微線圈勵(lì)磁系數(shù)結(jié)果

2.3 磁滯補(bǔ)償效果測(cè)試

通過(guò)將磁傳感器放置于外置海姆赫茲線圈內(nèi)，設(shè)置外置電流源使得外置線圈產(chǎn)生±45 000 nT的磁場(chǎng)，采用本文提出的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。圖10給出了磁滯補(bǔ)償結(jié)果，可以看出采用本文方法后磁滯降低了90 %。

圖10 磁滯補(bǔ)償結(jié)果

3 結(jié) 論

本文研制了一種面向磁阻傳感器的低噪聲磁滯補(bǔ)償系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所研制的系統(tǒng)中高精密電流源的RMSE為(3～5)×10-6，通過(guò)對(duì)GMR/TMR磁傳感器進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，磁滯降低了90 %，同時(shí)僅僅產(chǎn)生250 pT的噪聲。