隧道磁電阻傳感器的噪聲抑制設(shè)計(jì)與測試*

沈建瑞, 譚 超, 朱開心, 潘禮慶2,

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

0 引 言

基于磁性材料制作的相關(guān)磁性傳感器得到了廣泛的使用,在各個(gè)行業(yè)起著重要的作用。目前,測量磁場的儀器種類繁多,包括超導(dǎo)量子干涉儀器、感應(yīng)線圈式磁力儀、磁通門磁力計(jì)、磁電阻磁強(qiáng)計(jì)等[1～3]。針對不同磁場強(qiáng)度的探測要求,發(fā)揮著重要的作用。磁電阻磁強(qiáng)計(jì)相比于其它測量儀器在體積、靈敏度、功耗等方面上占據(jù)更大的優(yōu)勢和可靠性?；诖烹娮鑲鞲衅鞯拇艔?qiáng)計(jì)在航海、地質(zhì)勘探、科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用[4～6]。國際上已有相關(guān)國家將磁阻磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用于空間磁場探測任務(wù)中去。磁電阻傳感器是構(gòu)成磁強(qiáng)計(jì)的主要的探測元件,隨著技術(shù)的進(jìn)步,磁電阻傳感器經(jīng)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(fā)展。

基于隧穿磁電阻效應(yīng)的磁性隧道結(jié)(MTJ)具有很高的靈敏度,被廣泛應(yīng)用于硬盤的讀出磁頭中,相應(yīng)的磁性傳感器在各行各業(yè)中展現(xiàn)了良好的應(yīng)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(yīng)用器件的噪聲,對于包含有氧化層的磁性隧道結(jié)來說,氧化層的電子俘獲效應(yīng)和磁性層中的疇壁移動(dòng)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(jìn)行處理。磁性隧道結(jié)的主要噪聲體現(xiàn)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(yīng)磁傳感器的中低頻噪聲測量與研究中發(fā)現(xiàn)TMR傳感器的噪聲主要表現(xiàn)在低頻段1/f噪聲,同時(shí)噪聲功率譜密度與工作電流平方成正比關(guān)系。

綜合對實(shí)際成本的考慮,實(shí)驗(yàn)采用江蘇多維科技的線性隧道磁電阻傳感器,設(shè)計(jì)相關(guān)信號調(diào)理電路,將低頻信號調(diào)制到高頻段處理,再采用基于商用的數(shù)字鎖相放大器對其微弱信號進(jìn)行解調(diào)處理,降低系統(tǒng)噪聲。

1 隧道磁電阻傳感器構(gòu)造和測試原理

1.1 隧道磁電阻傳感器構(gòu)造

江蘇多維科技生產(chǎn)的三維線性隧道磁電阻傳感器,其構(gòu)造如圖1,為減小電路溫度零點(diǎn)漂移,減小共模抑制比,降低電路的噪聲,其內(nèi)部會(huì)設(shè)計(jì)成一個(gè)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(gè)電源,當(dāng)有外界的磁場B作用時(shí),則相對的2對電阻的阻值會(huì)一對增大一對減小,此時(shí),磁電阻的靈敏度將被大大的增強(qiáng)。

圖1 磁電阻傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 測試原理

實(shí)驗(yàn)待測的信號常常會(huì)因?yàn)樵肼暤母蓴_而被淹沒,而鎖相放大的技術(shù)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(jìn)行準(zhǔn)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(diào)理電路輸出的信號作為輸入信號進(jìn)入信號通道,外部信號源提供的參考信號進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ?經(jīng)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(shè)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(jìn)入PSD模塊信號通道的信號設(shè)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(shè)為

SR(t)=ARsin(ωt+δ)

(2)

兩路信號進(jìn)入PSD模塊進(jìn)行乘法操作,得到輸出

(3)

(4)

此時(shí)幅度則取決于被測調(diào)制信號的幅值A(chǔ)I,參考信號幅值A(chǔ)R以及二者相位差的余弦值。

2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

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(tǒng)的測量造成很大的誤差。為減少低頻噪聲的影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對磁電阻傳感器輸出的電壓信號分別進(jìn)行了調(diào)制,再進(jìn)行低噪聲放大以方便方便數(shù)字鎖相放大器的解調(diào)處理。

2.1 探頭電路設(shè)計(jì)

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(yīng)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(dú)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(diào)制電路設(shè)計(jì)

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

AD834是ADI公司生產(chǎn)的一種高進(jìn)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(jīng)由連接器連接到調(diào)制電路。

圖4 調(diào)制電路

2.3 交流放大電路設(shè)計(jì)

隧道磁電阻傳感器可以準(zhǔn)確感知到磁場的變化轉(zhuǎn)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(fā)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(shí),就需要選擇放大倍數(shù)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(shí)驗(yàn)測試與分析

3.1 商用數(shù)字鎖相放大器檢測

傳統(tǒng)的模擬乘法器在實(shí)現(xiàn)相干調(diào)制上存在諸多缺陷,模擬技術(shù)的相敏檢波器會(huì)存在溫度漂移,不僅極大地限制了相敏檢波器的精度還會(huì)引入更多的背景噪聲,其輸出的結(jié)果與實(shí)際測量的結(jié)果會(huì)存在一定的誤差。在模擬系統(tǒng)中,當(dāng)背景噪聲的幅值接近或遠(yuǎn)高于信號的幅值時(shí),相干調(diào)制就會(huì)出現(xiàn)很大的誤差,采用數(shù)字技術(shù)的相敏檢波器可以很好地避免這樣的誤差,其動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備主要受A/D轉(zhuǎn)換的質(zhì)量限制。經(jīng)相敏檢波處理的信號,儀器內(nèi)部采用數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)對相干調(diào)制后的信號進(jìn)行低通濾波處理,輸出信號。

前端信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)的調(diào)制放大輸出的電壓信號作為商用數(shù)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(jìn)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(diào)制電路的調(diào)制信號由同一信號發(fā)生器Tektronix—AFG3102C產(chǎn)生。

3.2 系統(tǒng)測試軟件

系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出和顯示。后面板通過調(diào)用函數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)完成對數(shù)據(jù)的傳輸和處理。輸入與濾波器參數(shù)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(shí)間常數(shù)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(shí)間50 s。通過對輸入與濾波參數(shù)配置、參考信號配置、通道輸出與采樣配置來實(shí)現(xiàn)對儀器的控制,完成信號的采集。

圖6 測試系統(tǒng)界面

3.3 測試結(jié)果分析

為避免外界磁場對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾影響,采用了中國鋼鐵研究院生產(chǎn)的五層屏蔽筒對外界的磁場進(jìn)行屏蔽處理。為了消除屏蔽筒內(nèi)部磁場的影響,采用廠家供給的配套電纜環(huán)繞整個(gè)屏蔽筒,施加大電流時(shí),電纜產(chǎn)生的環(huán)形磁場匯聚在圓形屏蔽筒上達(dá)到消除其它方向磁場的作用。將傳感器探頭置于屏蔽筒內(nèi),對傳感器輸出的電壓進(jìn)行50 s的電壓讀數(shù),采樣電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jié) 論