MEMS/GMR集成磁傳感器的磁滯抑制方法*

呂云飛, 潘孟春, 胡佳飛, 陳棣湘, 田武剛, 周繼昆

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 儀器科學(xué)與技術(shù)系,湖南 長沙 410073;2.中國工程物理研究院 總體所,四川 綿陽 621900)

0 引 言

理論上，磁滯通常源于磁疇的相互作用,材料的不均勻性或由碰撞、位移、雜質(zhì)等因素引起的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)摩擦力[8]。因此,消除磁滯的方法主要包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化[9～14]、工藝改進(jìn)[15]、磁滯建模[8]和脈沖磁化[7,16～19]等,其中脈沖磁化是一種通過施加飽和磁場增強(qiáng)磁矩一致性,從而減小磁滯方法[16～19]。Liu S[17]提出了一種基于負(fù)向飽和磁化的單向磁場測量方法,由于多層膜型GMR磁敏感體的輸出無極性,因此上述方法無法解決雙向磁場測量的問題。Xie F[7,18]采用集成線圈和脈沖磁場控制實(shí)現(xiàn)了近20 %的磁滯抑制效果,該方法需要將MR元件與補(bǔ)償線圈進(jìn)行集成制造,系統(tǒng)復(fù)雜而且不能有效避免響應(yīng)轉(zhuǎn)折區(qū)。

由于調(diào)制引起的周期性的空間磁場擾動,使得MEMS/GMR集成磁傳感器中MR敏感元件探測的為交流磁場而非直流磁場,這使得磁滯建模將更加復(fù)雜,因此脈沖磁化是一種較好的降低磁滯手段。與傳統(tǒng)的脈沖磁化方法不同,本文提出了一種基于集成MEMS線圈的雙向脈沖磁化方法,利用雙向脈沖后傳感器的響應(yīng)曲線的差別可實(shí)現(xiàn)雙向磁場測量,并且避免響應(yīng)轉(zhuǎn)折區(qū)。

1 脈沖磁化原理

本文所使用的傳感器原理樣機(jī)是基于磁聚集和垂動調(diào)制原理,其原理和制造過程可參考文獻(xiàn)[6,20,21]。如圖1所示，通過一對磁聚集器實(shí)現(xiàn)磁力線聚集和垂動調(diào)制,其中軟磁調(diào)制膜(FMF)在氣隙上方并由垂動MEMS諧振器驅(qū)動[21,22]。基于MEMS工藝在MR元件底部制造平面線圈,集成MEMS線圈的有限元仿真結(jié)果和顯微光學(xué)圖可參考文獻(xiàn)[16]。樣機(jī)中MR元件是由NVE公司制造的敏感體AAH002。軟磁調(diào)制膜上下運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)MR元件敏感的氣隙中磁場調(diào)制。當(dāng)調(diào)制膜接近氣隙時(圖1(a)),磁力線優(yōu)先通過調(diào)制膜,氣隙中的磁場強(qiáng)度迅速下降；反之,當(dāng)調(diào)制膜遠(yuǎn)離氣隙時(圖1(b)),磁力線將直接通過氣隙,MR元件敏感的磁場恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖1 垂動調(diào)制下的磁力線分布

單個MR元件和調(diào)制MR傳感器之間最大的區(qū)別是后者所感知的磁場是交流磁場而非靜態(tài)磁場。將交流磁場使得磁傳感器在靜態(tài)響應(yīng)曲線上經(jīng)歷的環(huán)路稱為工作環(huán),因此，在MEMS/GMR集成磁傳感器中,工作環(huán)的上下端點(diǎn)之間的差值(端點(diǎn)差)即代表被測磁場的大小(峰峰值)。如圖2所示,若不磁化,工作環(huán)的上端點(diǎn)受歷史測量路徑影響可處于區(qū)域A的任何位置,從而導(dǎo)致被測量工作環(huán)曲線不穩(wěn)定。因此，在實(shí)際測量過程中,固定的工作環(huán)路是實(shí)現(xiàn)磁滯降低的重要途徑。而通過脈沖磁化可使得被測環(huán)路固定,從而使得磁滯減小。在MEMS/GMR集成磁傳感器中,矯頑場會導(dǎo)致上升磁滯回路中存在響應(yīng)轉(zhuǎn)折區(qū),如圖2所示。在這個區(qū)域內(nèi),工作環(huán)端點(diǎn)差與被測磁場之間不單調(diào),導(dǎo)致響應(yīng)曲線存在局部峰值,因此，工作時應(yīng)盡量避免該區(qū)域。受上升和下降磁滯曲線的斜率影響,當(dāng)被測磁場為正向時,正向磁化后的工作環(huán)端點(diǎn)差比負(fù)向磁化后的更大,即輸出更大。同理,當(dāng)測量負(fù)向磁場時,負(fù)向磁化后的端點(diǎn)差比正向磁化后的更大。可見,雙向磁化后的響應(yīng)差異可用于確定被測磁場方向。

圖2 MEMS/GMR集成磁傳感器工作原理

為了提高測量精度并實(shí)現(xiàn)雙極性測量,本文提出了雙向脈沖磁化方法,其基本原理圖如圖3所示,通過綜合信息處理模塊產(chǎn)生雙向脈沖電流,施加到MEMS微線圈上,并產(chǎn)生兩個方向的脈沖磁場飽和磁敏感體,分別測量脈沖磁場后磁敏感體的輸出大小并進(jìn)行比較,其中輸出大小可采用經(jīng)典的數(shù)字鎖相放大或者參考文獻(xiàn)[23]中的參數(shù)估算法來解算正負(fù)脈沖磁化后的GMR輸出電壓峰峰值,從而判斷外磁場方向,并可大幅降低磁滯,避免工作在靈敏度轉(zhuǎn)折區(qū)。

圖3 雙向脈沖磁化基本原理

雙向脈沖磁化的電流時序如圖4所示,測量磁化結(jié)束后正向響應(yīng)電壓(Up)和負(fù)向響應(yīng)電壓(Un),如果Up>Un,則測量中應(yīng)該選擇正向磁化飽和,并工作在正向下降主分支。相反,如果Up

圖4 電流時序(Up>Un情況下)

2 實(shí) 驗(yàn)

將亥姆霍茲線圈和傳感器樣機(jī)放置在3層磁屏蔽筒中,以消除環(huán)境擾動。通過控制電流精確控制亥姆霍茲線圈產(chǎn)生-5～5 Gs的可調(diào)磁場。AAH002敏感體采用5.0 V直流供電,在PZT懸臂梁兩端施加頻率為諧振頻率,峰峰值為20 V的方波驅(qū)動,采用KEITHLEY2010測得集成MEMS線圈的電阻值約為9 Ω,MEMS微補(bǔ)償線圈的勵磁系數(shù)達(dá)4 000 nT/mA,如圖5所示。由于AAH002的飽和場為6 Gs,因此，脈沖電流大小為300 mA時,在磁敏感體上可產(chǎn)生12 Gs的磁場,足以完成飽和磁化。

圖5 微線圈勵磁系數(shù)結(jié)果

圖6給出了脈沖磁化前后的傳感器樣機(jī)響應(yīng)曲線,可以發(fā)現(xiàn)磁滯大幅降低,基于雙向脈沖磁化后的響應(yīng)差可實(shí)現(xiàn)矢量磁場測量。圖中正向磁化和負(fù)向磁化時,當(dāng)磁化方向與被測磁場方向相反時,存在明顯的靈敏度轉(zhuǎn)折區(qū)。

圖6 傳感器樣機(jī)磁化前后曲線

將所研制的傳感器樣機(jī)在-5～5 Gs范圍內(nèi)進(jìn)行測試,響應(yīng)曲線如圖7所示。結(jié)果表明：在(0.8～2.4 Gs)線性范圍內(nèi),傳感器樣機(jī)的磁滯從15 %降至1.3 %,靈敏度從27.8 mV/Gs提高到32.1 mV/Gs。可見雙向脈沖磁化方法對磁滯抑制效果顯著。

圖7 采用雙向脈沖磁化后響應(yīng)曲線

3 結(jié) 論

本文提出了一種雙向脈沖磁化方法,用于固定磁敏感體的工作環(huán)路,可消除歷史測量和磁化狀態(tài)差異所引起的磁滯誤差,利用雙向磁化后的響應(yīng)差異來區(qū)分被測磁場方向,并選擇合理的磁滯曲線分支避免工作在響應(yīng)轉(zhuǎn)折區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MEMS/GMR集成磁傳感器的磁滯從15 %降低到1.3 %且靈敏度提升了15.4 %。此外,該方法還可以直接應(yīng)用于抑制其他類型磁傳感器的磁滯抑制。