隧道磁電阻傳感器的噪聲抑制設計與測試*

沈建瑞, 譚 超, 朱開心, 潘禮慶2,

(1.三峽大學 電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002;2.湖北省弱磁探測工程技術研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.三峽大學 理學院,湖北 宜昌 443002)

0 引 言

基于磁性材料制作的相關磁性傳感器得到了廣泛的使用,在各個行業起著重要的作用。目前,測量磁場的儀器種類繁多,包括超導量子干涉儀器、感應線圈式磁力儀、磁通門磁力計、磁電阻磁強計等[1～3]。針對不同磁場強度的探測要求,發揮著重要的作用。磁電阻磁強計相比于其它測量儀器在體積、靈敏度、功耗等方面上占據更大的優勢和可靠性。基于磁電阻傳感器的磁強計在航海、地質勘探、科學研究等領域發揮著日益重要的作用[4～6]。國際上已有相關國家將磁阻磁強計應用于空間磁場探測任務中去。磁電阻傳感器是構成磁強計的主要的探測元件,隨著技術的進步,磁電阻傳感器經歷由各向異性磁電阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)、巨磁電阻(giant magnetoresistance,GMR)、隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)的發展。

基于隧穿磁電阻效應的磁性隧道結(MTJ)具有很高的靈敏度,被廣泛應用于硬盤的讀出磁頭中,相應的磁性傳感器在各行各業中展現了良好的應用前景[7]。對于隧道磁電阻傳感器來說,其磁場的最小分辨率不僅僅取決于傳感器的靈敏度還取決于應用器件的噪聲,對于包含有氧化層的磁性隧道結來說,氧化層的電子俘獲效應和磁性層中的疇壁移動可能大大增加其噪聲。因此,想要提高磁場的極限分辨率就需要對磁性傳感器的噪聲進行處理。磁性隧道結的主要噪聲體現在熱噪聲、散粒噪聲和低頻噪聲。曹江偉等人[8]在對隧穿磁電阻效應磁傳感器的中低頻噪聲測量與研究中發現TMR傳感器的噪聲主要表現在低頻段1/f噪聲,同時噪聲功率譜密度與工作電流平方成正比關系。

綜合對實際成本的考慮,實驗采用江蘇多維科技的線性隧道磁電阻傳感器,設計相關信號調理電路,將低頻信號調制到高頻段處理,再采用基于商用的數字鎖相放大器對其微弱信號進行解調處理,降低系統噪聲。

1 隧道磁電阻傳感器構造和測試原理

1.1 隧道磁電阻傳感器構造

江蘇多維科技生產的三維線性隧道磁電阻傳感器,其構造如圖1,為減小電路溫度零點漂移,減小共模抑制比,降低電路的噪聲,其內部會設計成一個簡單推挽式惠斯通電橋。由圖可知,只需在電橋的VOC和GND端加上一個電源,當有外界的磁場B作用時,則相對的2對電阻的阻值會一對增大一對減小,此時,磁電阻的靈敏度將被大大的增強。

圖1 磁電阻傳感器內部結構

1.2 測試原理

實驗待測的信號常常會因為噪聲的干擾而被淹沒,而鎖相放大的技術則可以很好地將需要的微弱信號從各種噪聲中提取出來而不失真,并對其進行準確的測量[9]。其原理如圖2所示。

圖2 鎖相放大原理模塊

信號調理電路輸出的信號作為輸入信號進入信號通道,外部信號源提供的參考信號進入參考通道,經相敏檢波(phase sensitive detection,PSD)和低通濾波(low pass filtering,LPF)的處理輸出所需的有用信號。

設輸入待測信號為SI(t),其中，AI,AR為信號的幅值,角頻率為ω,ψ和δ為初始相位,初始參考信號為SR(t),進入PSD模塊信號通道的信號設為

SI(t)=AIsin(ωt+ψ)+B(t)

(1)

式中B(t)為總噪聲。

參考信號通道信號設為

SR(t)=ARsin(ωt+δ)

(2)

兩路信號進入PSD模塊進行乘法操作,得到輸出

(3)

(4)

此時幅度則取決于被測調制信號的幅值AI,參考信號幅值AR以及二者相位差的余弦值。

2 信號調理電路設計

隧道磁電阻傳感器的輸出差分直流信號十分微弱,如果直接將直流信號放大,低頻的1/f噪聲也將被放大,對系統的測量造成很大的誤差。為減少低頻噪聲的影響,實驗設計對磁電阻傳感器輸出的電壓信號分別進行了調制,再進行低噪聲放大以方便方便數字鎖相放大器的解調處理。

2.1 探頭電路設計

采用多維科技的三軸線性隧道磁電阻傳感器,傳感器探頭三軸感應磁場以差分電壓的形式輸出V0+和V0-,外部提供供電電源,使磁傳感器正常工作。為減小探頭體積和電磁干擾,隧道磁電阻傳感器的芯片單獨制作焊接在一塊PCB上,如圖3,通過連接器將探頭電路和后端電路相連接,完成磁場信號的傳輸。

圖3 傳感器前端探頭電路

2.2 調制電路設計

為避免緩慢變化的信號出現低頻噪聲和漂移等影響,需要對傳感器輸出的信號進行變換,而不直接將其進行放大。隧道磁電阻傳感器呈現出很大的1/f噪聲,此時,將調制電路將輸出的微弱信號調制到高頻信號,再采用鎖相放大器將其信號進行解調,能高效的對其噪聲進行抑制。

AD834是ADI公司生產的一種高進度的模擬乘法器。如圖4所示,磁電阻傳感器前端探頭信號,經由連接器連接到調制電路。

圖4 調制電路

2.3 交流放大電路設計

隧道磁電阻傳感器可以準確感知到磁場的變化轉換成電壓的信號,外部磁場的微弱變化將使傳感器的電壓信號發生變化。磁電阻傳感器的等效電阻不是固定不變的,其輸出信號為差模小信號且具有較大的共模成分。此時,就需要選擇放大倍數足夠高,具有高輸入阻抗和共模抑制比的放大器。

圖5 交流放大電路

3 實驗測試與分析

3.1 商用數字鎖相放大器檢測

傳統的模擬乘法器在實現相干調制上存在諸多缺陷,模擬技術的相敏檢波器會存在溫度漂移,不僅極大地限制了相敏檢波器的精度還會引入更多的背景噪聲,其輸出的結果與實際測量的結果會存在一定的誤差。在模擬系統中,當背景噪聲的幅值接近或遠高于信號的幅值時,相干調制就會出現很大的誤差,采用數字技術的相敏檢波器可以很好地避免這樣的誤差,其動態儲備主要受A/D轉換的質量限制。經相敏檢波處理的信號,儀器內部采用數字濾波器來實現對相干調制后的信號進行低通濾波處理,輸出信號。

前端信號調理電路設計的調制放大輸出的電壓信號作為商用數字鎖相放大器OE1022D信號通道的輸入信號,信號源輸出的參考信號進入到鎖相放大器的參考通道。完成對輸入信號和參考信號的相敏檢波和濾波處理,提取所需的微弱信號,提高信噪比。其中,參考信號與調制電路的調制信號由同一信號發生器Tektronix—AFG3102C產生。

3.2 系統測試軟件

系統的軟件是儀器匹配的基于LabVIEW編寫的可視化操作界面,如圖6所示。其前面板用來完成用戶定義的操作界面,實現數據的輸出和顯示。后面板通過調用函數模塊實現完成對數據的傳輸和處理。輸入與濾波器參數配置為：輸入信號源單端電壓信號、輸入耦合為交流耦合、濾波器時間常數為300 ms;參考信號配置為：外部參考;通道與采樣配置為：采樣間隔10 ms,采樣時間50 s。通過對輸入與濾波參數配置、參考信號配置、通道輸出與采樣配置來實現對儀器的控制,完成信號的采集。

圖6 測試系統界面

3.3 測試結果分析

為避免外界磁場對實驗結果產生干擾影響,采用了中國鋼鐵研究院生產的五層屏蔽筒對外界的磁場進行屏蔽處理。為了消除屏蔽筒內部磁場的影響,采用廠家供給的配套電纜環繞整個屏蔽筒,施加大電流時,電纜產生的環形磁場匯聚在圓形屏蔽筒上達到消除其它方向磁場的作用。將傳感器探頭置于屏蔽筒內,對傳感器輸出的電壓進行50 s的電壓讀數,采樣電壓進行數據處理,得到(取x軸和y軸為例)電壓噪聲功率譜密度如圖7(a)所示,等效磁場噪聲功率譜如圖7(b)所示。

圖7 功率譜密度

4 結 論