基于屏蔽結構的自旋閥開環電流傳感器設計

宋小雨

摘要：為了擴大自旋閥傳感器在開環電流傳感器中的測量范圍，采用軟磁屏蔽方法，設計了一種基于屏蔽結構的自旋閥開環電流傳感器。利用有限元仿真軟件設計屏蔽結構模型，并對其進行磁性能的仿真和分析，推導理論傳感結構，指導實測樣品的設計和組裝。根據實測結果，所設計的電流傳感器可以實現500～500A范圍的大電流檢測，其靈敏度為0.85mV/V/A，線性度為3.79%，磁滯為0.60%。

關鍵詞：電流傳感器；自旋閥傳感器；屏蔽結構；仿真

電流傳感器是一種用于探測導體中電流大小和方向的檢測裝置，廣泛應用于工業控制、智能電網、汽車電子等領域。[1]常用的車載電流傳感器為開環傳感結構，[2]其利用磁敏元件直接檢測電流產生的磁場。目前，基于巨磁阻效應的電流傳感器因其熱穩定性高、分辨力高、響應速度快等優點受到汽車電子市場的青睞。[3]但是，對于汽車而言，其需求的電流傳感器量程在300A以上，其中鐵芯聚集的磁場將達數千高斯，而巨磁阻元件的線性范圍通常為數十高斯，通常需要使用閉環結構，無法應用于車載電流檢測。本文設計了一種基于屏蔽結構的巨磁阻開環電流傳感器，開發了一種巨磁阻傳感器與開環結構相匹配的模式，擴大了巨磁阻傳感器的測量范圍。

1 電流傳感器的設計

本文設計的電流傳感器由鐵芯、屏蔽結構、自旋閥傳感器和信號處理電路構成。鐵芯聚集被測電流產生的磁場以及抗周圍干擾磁場，屏蔽結構將自旋閥傳感器感應區域的磁場衰減至線性范圍內，自旋閥傳感器感知磁場，輸出弱電壓信號，經信號處理電路放大輸出。自旋閥傳感器型號為SAD02，其線性工作范圍在25～25Gs內，靈敏度為0.63mV/V/Gs，非線性度為1.34%。

1.1 屏蔽結構設計與仿真

本文所設計的電流傳感器鐵芯用于500A電流檢測應用，其所需求的導線直徑大于22mm，為適應此需求，考慮安裝結構所需空間及鐵芯內的磁通密度均勻性，采用硅鋼作為鐵芯材料，其內徑為27mm，外徑為37mm，氣隙開口弧長為4mm，高度為10mm。屏蔽結構長20mm，寬10mm，高1mm，材料為具有高導磁率的坡莫合金。電流傳感器磁信號探測模型模型如圖1所示，仿真結果如圖2所示。

在無屏蔽結構作用下，探究鐵芯氣隙內部及周圍漏磁磁場的分布情況。當外加激勵電流為500A時，鐵芯氣隙內的最大磁場強度為1535Gs，在氣隙區域以外，由于漏磁，磁場隨著距離增大而逐漸減小至100Gs。在所仿真的20mm距離之內，磁場強度均遠大于自旋閥傳感器的線性范圍。

在有屏蔽結構作用下，將自旋閥傳感器芯片與屏蔽結構緊密接觸，其敏感位置距離屏蔽結構表面為0.5mm。當激勵場從50Gs增大至750Gs時，屏蔽結構表面0.5mm處的磁感應強度從3.81Gs線性增大至57.17Gs，將該位置所能感測到的磁場與激勵磁場的比值定義為屏蔽系數，其值約為0.08。自旋閥傳感器結合屏蔽結構所能應用的磁場范圍為312.50Gs，屏蔽作用區域需距離鐵芯內徑至少為11.7mm。將屏蔽結構與鐵芯進行匹配，其中，屏蔽結構前邊緣距離鐵芯內徑為10mm，為了達到最好的屏蔽效果，自旋閥傳感器應置于屏蔽區域中心位置，即距離鐵芯內徑15mm，滿足屏蔽作用區域距離鐵芯內徑至少為117mm的要求。

將有無屏蔽結構的鐵芯氣隙內部及周圍磁場分布進行比較。從仿真結果圖2中可以發現，在500A電流激勵下，在距離鐵芯內徑11.7mm處，無屏蔽結構的磁場大小為236.47Gs，而屏蔽結構的磁場大小為24.97Gs，在距離鐵芯內徑15mm處，無屏蔽結構的磁場大小為155.46Gs，而屏蔽結構的磁場大小為8.83Gs。綜上，屏蔽結構把磁場降低至傳感芯片的線性范圍內，使得自旋閥傳感器可以應用于±500A量程電流開環檢測。

1.2 硬件電路設計

電路設計如圖3所示。自旋閥傳感器輸出電壓只有幾十毫伏，屬于微弱信號，無法直接應用。為了使輸出信號的范圍盡可能大，以易于后端電路進行采集和識別，本文采用AD623對自旋閥傳感器輸出的電壓信號進行放大。AD623是一款儀表放大器，可單電源應用，通過調節引腳1和引腳8之間的電阻，可使其增益在1～1000倍之間變化，在電流達到滿量程時，輸出電壓達到5V；通過調節引腳5端口輸入的電壓，可以實現輸出電壓調零。

2 實驗結果及分析

本文對有無屏蔽結構的自旋閥電流傳感器進行對比測試，考慮到電流源最大電流為10A，在鐵芯上繞制50匝線圈以產生500A的等效激勵電流。實驗所提供工作電壓為5V，被測電流大小等效值為500～500A，以步進值25A進行回線測試，記錄其電壓輸出值。測試結果如圖4所示。

屏蔽結構電流傳感器的量程為±500A，靈敏度為0.85mV/V/A，磁滯為0.60%，非線性度為3.79%。本文所研制的電流傳感器由非線性度引起的誤差較大，在實際應用中需要進行非線性補償。無屏蔽結構結構電流傳感器的量程下降為±75A，可以看到在量程范圍以外，電流傳感器因輸出飽和無法工作，與此同時，電流傳感器的磁滯擴大為26.50%，其靈敏度為6.54mV/V/A，非線性度為7.17%。這是因為去掉屏蔽結構以后，傳感芯片直接感應鐵芯氣隙的磁場。當被測電流達到75A時，傳感芯片本身尚未達到飽和，但傳感芯片的輸出信號經儀表放大器放大后已接近5V而輸出飽和，因此此時電流傳感器的磁滯特性被顯著增大。

3 總結

設計表明，基于屏蔽結構的自旋閥開環電流傳感器解決了自旋閥器件線性范圍與開環結構下感應區域磁場不匹配問題。實驗結果表明，該電流傳感器可測量±500A的直流電流，靈敏度為0.85mV/V/A，磁滯為0.60%，非線性度為3.79%。屏蔽結構電流傳感器顯著降低了磁滯和非線性度，這是由于屏蔽結構對磁場的衰減作用和對自旋閥傳感器的抗干擾作用導致的。

參考文獻：

[1]和劭延，吳春會，田建君.電流傳感器技術綜述[J].電氣傳動，2018，4801：6575.

[2]陽桂蓉.開環霍爾電流傳感器磁芯設計[J].自動化與儀器儀表，2017，02：7476.

[3]Baibich M N，Broto J M，Fert A，et al.Giant magnetoresistance of（001）Fe/（001）Cr magnetic superlattices.[J].Physical Review Letters，1988，61（21）：24722475.