微型電流傳感器AMR探頭芯片研究與測試

王 浩，王茂勵，董振振，鐘貽兵，程廣河

(1.青島理工大學信息與控制工程學院，山東青島 266520；2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東省計算機網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，山東濟南 250014；3.曲阜師范大學信息與控制工程學院，山東日照 276800；4.山東航天電子技術(shù)研究院，山東煙臺 264000)

0 引言

隨著航天技術(shù)的進步，電流傳感器在航天器中使用的越來越多，電流傳感器在航天系統(tǒng)中展現(xiàn)出了越來越重要的使用價值。電流傳感器輸出模擬電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，并作為遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給地面接收站，使科研人員能夠?qū)崟r獲取航天器各監(jiān)測點的電流值，有助于掌握衛(wèi)星的運行狀況，當某部分設(shè)備發(fā)生故障時，能對故障進行快速定位，并可以通過發(fā)送關(guān)斷指令，避免故障設(shè)備對航天器產(chǎn)生進一步損害。例如，電流傳感器用于航天器的供配電系統(tǒng)中，就可以掌握航天器的母線電流和各分系統(tǒng)電流。磁致電阻效應(yīng)是一項重要的科學發(fā)現(xiàn)，各向異性磁阻(anisotropic magneto resistance，AMR)是鐵磁材料的電阻率隨外界磁場和電流方向夾角改變而改變的現(xiàn)象。AMR磁阻效應(yīng)的磁阻傳感器靈敏度高，使用該原理設(shè)計的傳感器能夠在很多領(lǐng)域中使用。在鐵磁材料中，NiFe、Nico合金被大量應(yīng)用以獲得AMR磁阻效應(yīng)。AMR磁阻效應(yīng)原理制成的傳感器目前得到了廣泛應(yīng)用，可以用以制作地球磁場測量、車輛監(jiān)測、磁存儲器探頭、接近開關(guān)、角度傳感器、電流傳感器等。而AMR磁阻效應(yīng)原理制成的電流傳感器具有高靈敏度、低溫漂的性能，較其他電流傳感器相比，有其獨特的優(yōu)勢。

1 AMR磁阻電流傳感器總體方案

本文基于零磁通原理來設(shè)計電流傳感器。被檢測電流所產(chǎn)生的磁場作用于AMR磁阻芯片，AMR磁阻芯片就會有感應(yīng)信號輸出，該信號經(jīng)放大，送至功率放大電路，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髦担撾娏鳛檠a償電流。補償電流流過補償線圈，也會產(chǎn)生作用于AMR磁阻芯片的磁場，補償電流產(chǎn)生磁場和被檢測電流產(chǎn)生磁場方向相反，所以AMR磁阻芯片的輸出電壓會降低。當補償電流產(chǎn)生磁場和被檢測電流產(chǎn)生磁場相等時，補償電流達到穩(wěn)定值。這就是AMR磁阻電流傳感器零磁通檢測的原理。補償線圈的電流流過采樣電阻，輸出線性對應(yīng)的標準電壓信號，從而實現(xiàn)了對被檢測電流的測量。AMR磁阻電流傳感器總體方案框圖如圖1所示。

圖1 傳感器總體方案設(shè)計框圖

2 傳感器AMR探頭芯片設(shè)計

2.1 AMR探頭芯片的Barber電極設(shè)計

AMR探頭芯片是傳感器的核心芯片，其將載流帶中電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)換為電信號。普通的AMR探頭由于是由坡莫合金材料制成的AMR電阻，如圖2所示，磁場方向與內(nèi)部電流方向夾角為90°，當磁場與圖中反向反轉(zhuǎn)180°時，與內(nèi)部電流方向的夾角依然為90°，完全不同方向的磁場引起坡莫合金電阻的磁阻變化是相同的，所以普通的AMR探頭是不能分辨外加磁場的方向性的。

圖2 無Barber電極的磁阻

為了滿足航天器對傳感器線性度和靈敏度的要求，本文選用有Barber電極的磁阻。Barber電極通過在坡莫合金材料制作成的電阻中加入鋁材料，由于鋁材料與坡莫合金的阻抗不同，所以內(nèi)部電流路徑會優(yōu)先選擇阻抗低的鋁材料，其電流流向?qū)l(fā)生改變，從而使得外部磁場與內(nèi)部電流方向的夾角產(chǎn)生了變化。如圖3所示，坡莫合金材料做成的電阻設(shè)計為帶狀結(jié)構(gòu)，Barber電極與電阻的長帶狀方向成45°角，電源電流流過帶狀電阻，會優(yōu)先選擇阻抗小的通路，同時用最短路徑通過阻抗高的通路，因為內(nèi)部電流的方向垂直于Barber電極方向，與電阻的長帶狀方向也成45°角，通過這種設(shè)計，圖2中同樣的磁場方向，與內(nèi)部電流方向的夾角，從90°變化為45°，而磁場方向發(fā)生180°翻轉(zhuǎn)時，其余電阻內(nèi)部電流方向夾角變化為135°夾角，而磁阻元件輸出曲線為余弦函數(shù)，兩者幅度相等，但正負號相反，從而實現(xiàn)了對方向性的識別。

圖3 有Barber電極的磁阻

2.2 AMR橋式電路

將AMR探頭芯片設(shè)計為一個惠斯登電橋，電橋的4個橋臂電阻均由坡莫合金材料制成，通過幾何設(shè)置方法，設(shè)計2個半橋，分別位于沿中心線對稱的位置，通過設(shè)計每個橋臂電阻的Barber電極，使每個橋臂的方向相反，對應(yīng)不同的電阻值變化方向(如圖4所示)，有效提高靈敏度。

圖4 橋式電路工作示意圖

R1～R4是4個橋臂電阻，通過VCC為惠斯登電橋供電，當載流帶中有如圖4所示方向的被檢測電流時，因為Barber電極的設(shè)置，外磁場與橋臂電阻中的電流方向夾角存在差異，使得R1、R4電阻阻值增大，而R2、R3電阻阻值下降(如圖4箭頭所示方向)，橋式電路產(chǎn)生差分電壓信號輸出，惠斯登電橋的輸出電壓為

(1)

式中：VM為惠斯登電橋輸出電壓，V；VCC為惠斯登電橋輸入電壓，V；R1～R4是4個惠斯登電橋橋臂電阻，Ω。

若4個橋臂的電阻相同,R1=R2=R3=R4=R，代入式(1)可得：

(2)

此時，VM=0，電橋平衡，輸出電壓為0。當載流帶中有被檢測電流時，R1～R4阻值發(fā)生變化，假設(shè)4個橋臂電阻性能完全一致，如前面所述，R1、R4的阻值增大ΔR，R2、R3的阻值下降ΔR，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

式中ΔR為2個橋臂電阻阻值的改變值，Ω。

在調(diào)理電路的作用下，傳感器會在補償電流線圈中形成與被檢測電流方向相反的電流信號，其余被檢測電流產(chǎn)生的磁場恰好相反，因其補償線圈封裝在芯片內(nèi)，與各橋臂的距離遠遠小于載流帶與各橋臂的距離，所以用小的電流就能補償被檢測電流產(chǎn)生的磁場，當兩者達到平衡，R1～R4回到接近外磁場為0時的阻值，橋式電路的輸出接近于0。

此外，AMR探頭芯片設(shè)計為惠斯登電橋有較強的抗干擾性能。因為載流帶為U型結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以在載流帶中流過電流時，R1、R2所受到的磁場方向與R3、R4的恰好相反，所以惠斯登電橋能夠輸出差分電壓信號。AMR探頭芯片的尺寸很小，對于外界干擾磁場來說，可近似的看為一點，所以其受到的干擾磁場的方向和大小近似相等，如圖5所示。

圖5 探頭的抗干擾原理

假設(shè)外界干擾磁場方向如圖5所示，同樣因為Barber電極的設(shè)置，如圖5中箭頭所示，R1、R3阻值升高，R2、R4阻值下降，而因為2個橋臂的材料與尺寸具有高度的一致性，2個半橋的變化近似相等，AMR探頭芯片的差分輸出沒有變化。通過這種設(shè)計，使傳感器具有良好的干擾能力。

2.3 AMR探頭芯片的偏置磁場

因為AMR磁阻芯片的輸出與內(nèi)部磁化方向與電流方向夾角有關(guān)，所以，磁阻傳感器有2個穩(wěn)定工作特性曲線。因此假如有外加與坡莫合金內(nèi)部磁化相反的強磁場干擾，薄膜合金工作特性曲線就會跳變，從正極性輸出變?yōu)樨摌O性輸出，即坡莫合金內(nèi)部被反向磁化。為了保證磁阻芯片的輸出電壓為設(shè)計值，所以需要給磁阻元件添加偏置磁場。通過在磁阻2個半橋的旁邊，添加2個條形的永磁體，如圖6所示。永磁體A和永磁體B平行方式，且N極與S極方向一致，從而形成相應(yīng)方向磁力線，給半橋A和半橋B施加恒定的偏置磁場，從而控制惠斯登橋式電路的靈敏度和線性度，并增加了抗干擾能力。

圖6 永磁體為芯片提供偏置磁場示意圖

3 探頭芯片測試

3.1 測試平臺建立

整個測試平臺由安捷倫數(shù)字電源、安捷倫數(shù)字萬用表、精密電流源、PC機組成。安捷倫數(shù)字電源可以提供穩(wěn)定的工作電源；安捷倫的數(shù)字表能實現(xiàn)實時采集，并能通過串口與PC機通訊；精密的電流源的電流輸出精度控制在選定量程的3以內(nèi)，同樣能通過串口與PC機通信；PC機設(shè)計單路測試軟件一套。軟件通過串口控制精密電流源輸出制定的電流值，并可讀取安捷倫數(shù)字萬用表采集到的電壓值，在指定輸出的多點電流值，采集相對應(yīng)的電壓值。

3.2 補償線圈加電流線性測試

補償線圈加電流源測試連接方式如圖7所示，電源為AMR芯片的惠斯登電橋供直流電壓，精密電流的電流輸出回路接芯片的補償線圈，萬用表采集惠斯登電橋的輸出電壓。

圖7 芯片的補償線圈加電流測試

給補償線圈加正向電流做線性測試，測試電流范圍0～20 mA，均分11個測試點，分別為0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 mA。用精密電流源加11個點的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測量對應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，最后通過最小二乘算法，計算本次測量的線性度其結(jié)果如表1所示。表1中X為輸入電流，Y為輸出電壓。

表1 補償線圈正向電流線性測試

通過表1的原始數(shù)據(jù)和中間計算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為0.47%。

給補償線圈加反向電流做線性測試，測試電流范圍0～20mA，均分11個測試點，分別為0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20mA。用精密電流源加11個點的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測量對應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，并對數(shù)據(jù)進行線性分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 補償線圈反向電流線性測試

通過表2的原始數(shù)據(jù)和中間計算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為-0.39%。

分析結(jié)果可以看出，AMR探頭芯片可以線性測量補償電流產(chǎn)生的磁場，無論加正向電流，還是加反向電流，其線性度絕對值均在1%以內(nèi)。

3.3 載流帶加電流線性測試

載流帶加電流測試連接方式如圖8所示，電源為AMR芯片的惠斯登電橋供直流電壓，精密電流源的電流輸出回路接芯片的的載流帶，萬用表采集惠斯登電橋的輸出電壓。

圖8 載流帶加電流測試

給載流帶加正向電流做線性測試，測試電流范圍0～50 A，均分11個測試點，分別為0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 A。用精密電流源加11個點的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測量對應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，并對數(shù)據(jù)進行線性分析，其結(jié)果如表3所示。

表3 載流帶加正向電流線性測試

通過表3的原始數(shù)據(jù)和中間計算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為-0.87%。

給載流帶加反向電流做線性測試，測試電流范圍0～50A，均分11個測試點，分別為0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50A。用精密電流源加11個點的電流，待電流穩(wěn)定后，用萬用表測量對應(yīng)的電壓值，軟件讀取電壓值，并對數(shù)據(jù)進行線性分析，其結(jié)果如表4所示。

表4 載流帶加反向電流線性測試

通過表4的原始數(shù)據(jù)和中間計算數(shù)據(jù)，可以求出其線性度為1.09%。

分析結(jié)果可以看出，AMR芯片的載流帶加電流測試的線性度，與補償線圈加電流測試相比，線性度稍差，其線性度絕對值在1%左右，但仍可說明AMR芯片能夠線性檢測載流帶中電流產(chǎn)生的磁場。在測試過程中，可以發(fā)現(xiàn)，電路板整體發(fā)熱，載流帶在流過電流時，因自身阻抗導(dǎo)致產(chǎn)生熱耗，隨著電流增大，電路板溫度上升較快，芯片因發(fā)熱導(dǎo)致溫漂，所以影響了芯片輸出，導(dǎo)致線性度變差。

3.4 磁平衡工作狀態(tài)測試

本課題研究的磁阻電流傳感器的AMR探頭芯片，工作在閉環(huán)狀態(tài)下，當達到磁平衡時，被檢測電流流過載流帶產(chǎn)生的磁場，被補償線圈中的補償電流產(chǎn)生磁場相抵消，AMR芯片輸出接近于0，整個閉環(huán)也達到平衡，所以磁平衡的穩(wěn)定性，是考核AMR芯片的重要性能。使用2臺高精度電流源，一臺給載流帶供被檢測電流，另一臺給補償線圈供補償電流，令載流帶流過50 A被檢測電流，調(diào)節(jié)另一臺精密電流源的輸出電流大小，AMR芯片的輸出電壓接近于0，記錄芯片的當前輸出，并保持2 h，并記錄2 h后的輸出電壓值，測量結(jié)果如下表5所示。

表5 磁平衡穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

從表中可以看出，保持2 h，傳感器的輸出一直穩(wěn)定的工作在磁平衡狀態(tài)下，輸出僅僅變化了5 μV。通過以上測試可以發(fā)現(xiàn)，AMR探頭芯片的輸出與載流帶中的電流大小、補償線圈的電流大小均為線性對應(yīng)關(guān)系，可以有效的檢測兩者產(chǎn)生的磁場，而且補償線圈中的電流可以有效的補償載流帶中電流產(chǎn)生的磁場，AMR探頭芯片滿足本課題的需求。

4 結(jié)束語

本文針對航天器微型電流傳感器，對其探頭芯片進行了研究，提出了AMR芯片的Barber電極設(shè)計，提出了AMR橋式電路，并分析了這種電路設(shè)計形式抗干擾的原理，并為探頭芯片提供了偏置磁場方案，最后對芯片進行了詳細測試，介紹了測試方法、測試平臺，在補償線圈和載流帶分別加電流進行線性測試，并模擬產(chǎn)品實際工作的磁平衡狀態(tài)，測試結(jié)果，AMR芯片線性度絕對值在 1%左右，說明探頭芯片設(shè)計合理，各方面性能優(yōu)異，可以很好的用于閉環(huán)電流傳感器。