基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場精確測量技術

檀杰　張曉明　陳雷

摘要：針對惠斯通電橋形式實現(xiàn)的四端式AMR傳感器存在電橋偏置，在磁場測量的過程中其輸出信號經(jīng)放大采集時出現(xiàn)飽和截止的問題。該文提出一種基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場精確測量方法，該方法通過置復位脈沖激勵的雙端輸出翻轉(zhuǎn)補償，抵消電橋偏置，補全單端截止的輸出。實驗采用現(xiàn)在標定精度最高的最小二乘橢球擬合標定算法，對AMR傳感器進行標定，通過對比橢球擬合圖的完整性來評價方法的可靠性。該方法解決傳感器的輸出受限，拓展傳感器的應用環(huán)境，滿足高精度磁場測試領域，由于只在算法層面進行數(shù)據(jù)補償，避免硬件操作，方法簡易，具有一定的實用價值。

關鍵詞：各向異性磁阻傳感器；電橋偏置；飽和截止；數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)；橢球擬合標定

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0088-05

0引言

各向異性磁阻傳感器（AMR）是基于磁電阻效應的新型磁敏傳感器。在側(cè)向、定位以及相關磁場測量中，AMR具有高可靠性、寬頻帶、小體積、耐惡劣環(huán)境等優(yōu)點，應用范圍廣泛。通常以惠斯通電橋形式實現(xiàn)的四端式AMR最為常見，但是由于工藝技術限制和惠斯通電橋配置等問題，AMR傳感器在出廠后，會存在電橋偏置。電橋偏置導致傳感器感知外界磁場正常輸出時也將偏置電壓包含在內(nèi)，使得輸出不關于零點對稱，經(jīng)運算放大器將此微弱信號放大采集時不能充分利用運算放大器的輸出范圍，有的甚至超出范圍，導致傳感器的輸出信號飽和截止，對于磁場的測量出現(xiàn)錯誤。

對于上述問題，國內(nèi)外當前研究提出如下解決方法：電子科技大學采用可調(diào)電阻的并聯(lián)電阻法，其優(yōu)點是電橋平衡精度較高，缺點是需要屏蔽所有的磁信號干擾來篩選可調(diào)電阻，對環(huán)境要求較高；哈爾濱工程大學采用儀表放大器產(chǎn)生一個與偏置電壓極性相反的電壓來抵消電橋偏置的放大器偏壓置零法，優(yōu)點是不直接影響電橋性能，缺點是系統(tǒng)體積增大，成本增加；中北大學利用AMR傳感器的專利偏置帶并且設計Barber偏置電極來抵消電橋偏置，優(yōu)點是增強了各向異性，提高了靈敏度，缺點是會在周期性使用過程中產(chǎn)生大量熱量，增加傳感器負荷，降低傳感器性能；西北工業(yè)大學采用降低ADC分辨率來調(diào)節(jié)電橋偏置的動態(tài)范圍，優(yōu)點是不需改動硬件，缺點是增加了信噪比，降低了磁場測量精度凹。

本文提出一種基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場精確測量技術。相比于以上方法，不要求測量環(huán)境，避免硬件操作，只在算法層面補償數(shù)據(jù)，具有節(jié)省體積，降低成本，操作簡易，精度較高等優(yōu)點。

1AMR傳感器存在電橋偏置的原因

AMR傳感器由沉積在硅片上的坡莫合金（NiFe）薄膜組成磁電阻，并且沉積時外加磁場，形成易磁化軸方向，磁電阻與電流和磁化方向的夾角有關，表現(xiàn)為各向異性。正常情況下設計AMR傳感器使其工作在線性模式，即磁阻相對變化率處于線性范圍之內(nèi)，則測量磁場值與傳感器輸出成正比例關系。依據(jù)以上原理，AMR傳感器的惠斯通電橋結構如圖1所示，VDD為橋臂供電電壓，VOUT+和VOUT為橋輸出節(jié)點電壓。

根據(jù)圖中惠斯通電橋結構示意圖可以得到橋總的輸出表達式即傳感器差分信號輸出為

理想情況下以惠斯通電橋配置設計的AMR傳感器，其制造目的是創(chuàng)建4個電氣性能相同的磁電阻，其空間對稱橋臂的磁電阻受地磁場的影響相同，電橋的主體是兩個分壓器元件（即半橋），每個分壓器元件在沒有受到外界磁場感知時具有相等的電阻抗，每個半橋在其零點，每個分壓器上的預期電壓應為總橋電壓的一半，因此VOUT₊與VOUT_-相等。而電橋偏置則是由于VOUT₊與VOUT_-存在偏差造成的，其原因為坡莫合金薄膜沉積到光刻區(qū)域的公差導致一些磁電阻誤匹配，造成阻值不平衡。電橋偏置是輸出節(jié)點上不期望輸出的電壓值，如果不進行補償，會導致傳感器系統(tǒng)性能的下降。

2基于AMR傳感器SET/RESET功能的電

橋偏置消除原理及數(shù)據(jù)處理方法

基于AMR傳感器的SET/RESET功能，向S/R+條接頭的正向注入電流，激勵使得磁疇對準易磁化軸正向，使得傳感器電橋極性為正斜率，且正磁場在傳感器軸上，從而使電橋輸出接頭之間電壓為正電壓，則此激勵為SET（置位）脈沖：而向S/R+條接頭的負向注入電流，激勵使得磁疇對準易磁化軸反向，使得傳感器電橋極性在正磁場且在傳感器軸上的情況下為負斜率，從而使電橋輸出接頭之間電壓為負電壓，則此激勵為RESET（復位）脈、沖。如圖2所示為不同情況下的磁疇指向。

基于以上原理可知，AMR傳感器的置復位功能使得傳感器輸出極性相反，并且不會改變電橋偏置的值和極性，在傳感器的整個使用壽命過程中保持恒值。表達式如下式所示：

當傳感器在置復位脈沖激勵下輸出均正常時，將式（2）中的兩個式子相減可以得到磁場的大小，如下式所示：

從式（3）可以看出，磁場值的大小僅僅與靈敏度有關，與電橋偏置無關，避免了由于傳感器受溫度變化敏感而引起電橋偏置改變的情況。

將式（2）中的兩個式子相加可以得到傳感器電橋偏置的大小，如下式所示：

當傳感器在置位脈沖激勵下的輸出飽和截止時，可以通過翻轉(zhuǎn)復位脈沖激勵下的輸出求得準確的磁場值，如下式所示：

而當傳感器在復位脈沖激勵下的輸出飽和截止時，可以通過翻轉(zhuǎn)置位脈沖激勵下的輸出求得準確的磁場值，如下式所示：

通過這種翻轉(zhuǎn)的方式可以得到傳感器單端飽和情況下在置位或者復位脈沖激勵下完整，準確的輸出，一方面避免了對于AMR傳感器的調(diào)零操作和調(diào)零電阻不完全匹配帶來的偏置不準確：另一方面只在算法層面進行數(shù)據(jù)處理補償避免了硬件上對傳感器進行操作，節(jié)省了體積，降低了成本；此外還能在硬件電路上保證不以犧牲信噪比為前提而降低傳感器的性能。

3AMR傳感器SET/RESET功能電路的設計

不同系列的AMR傳感器SET/RESET功能信號要求不同。根據(jù)HMCl043芯片手冊所述，置復位電流脈沖至少需要500 mA且持續(xù)至少2μs，而置復位電阻為2.5Ω，所以脈沖峰值在1.25V以上需持續(xù)最少2μs的時間才能足夠置復位，根據(jù)以上要求并且運用電容充放電原理及其二極管的開關特性設計了如圖3所示的SET/RESET電路舊。

圖中的MAGRST端采用微處理器產(chǎn)生的PWM方波進行高低電平的控制，方波占空比為50%，在一個PWM周期，方波的上升沿即高電平使得Q₂導通，Q₁截止，電路對電容C₁充電，使得SET/RESET端為低電平，則會在SET/RESET端產(chǎn)生正向電流，電流流經(jīng)電阻條形成SET（置位）脈沖；而方波的下降沿使得Q₁導通，Q₂截止，電路對電容C₂充電，使得SET/RESET端為高電平，則會在SET/RESET端產(chǎn)生負向電流，電流流經(jīng)電阻條形成RESET（復位）脈沖，如此SET/RESET電路便可實現(xiàn)對傳感器的周期性置復位激勵，置復位信號輸出如圖4所示，脈沖持續(xù)時長占總脈沖寬度的20%。

4實驗驗證

以HMCl043作為標定實驗的AMR傳感器組成測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由STM32F405微控制器作為控制單元，為磁傳感器提供周期性的PWM方波，方波控制SET/RESET電路對傳感器進行周期性置復位脈沖激勵，脈沖頻率和MCU內(nèi)置ADC采集傳感器數(shù)據(jù)的頻率均為2 kHz，則采樣間隔為0.5 ms，首先將HMC1043三軸磁傳感器置于磁屏蔽筒中，將起屏蔽作用的屏蔽蓋都蓋上，在零磁場環(huán)境下上電采集磁傳感器的三軸電橋偏置，如圖5所示。然后選擇環(huán)境空曠且磁干擾較小的地方進行標定試驗，采集數(shù)據(jù)進行橢球擬合，分別對比置位脈沖激勵下的橢球擬合圖，復位脈沖激勵下的橢球擬合圖，置復位脈沖激勵下的經(jīng)翻轉(zhuǎn)補償?shù)臋E球擬合圖，如圖6～圖8所示。

從圖6～圖8 3種情況下的橢球擬合圖可以看出，在置位脈沖激勵和復位脈沖激勵條件下，傳感器輸出X軸和Z軸均在3.3v飽和截止：而在置復位脈沖激勵下經(jīng)過電橋偏置補償?shù)臋E球擬合圖沒有出現(xiàn)飽和截止現(xiàn)象，可以計算得到準確的零點和靈敏度參數(shù)，補償電壓值實現(xiàn)磁場值的準確測量。

5結束語

本文針對AMR傳感器惠斯通電橋結構不平衡，當被測量磁場為零時，傳感器半橋輸出節(jié)點上的電壓值不相等，存在電橋偏置，傳感器信號經(jīng)放大采集時出現(xiàn)飽和截止的問題，提出一種基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場精確測量技術。實驗結果表明當置位信號或者復位信號激勵下磁傳感器輸出存在飽和截止導致無法正常測量磁場值時，采用這種技術進行數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)補償和電橋偏置的消除，可以得到傳感器完整的磁測電壓數(shù)據(jù)，進行橢球擬合標定求得零點和靈敏度參數(shù)，運用所求的零點和靈敏度在置復位功能條件下補償傳感器輸出即可精確測量磁場。拓展了AMR傳感器的應用環(huán)境，提高了傳感器的系統(tǒng)性能。

（編輯：劉楊）