面向磁阻傳感器的低噪聲磁滯補償系統*

孫 琨， 潘孟春， 胡靖華， 胡佳飛， 杜青法， 潘 龍

(國防科技大學 儀器科學與技術系，湖南 長沙 410000)

0 引 言

20世紀以來，基于量子理論的磁電子學發展迅猛，各種磁性新理論、新材料快速發展，并迅速在信息存儲、工業電子、科學探測等領域得到廣泛的應用[1]。其中以巨磁電阻(giant magneto resistance,GMR)/ 隧穿磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)為代表的高性能磁傳感器因體積小、功耗低、靈敏度高等優勢，在弱磁信號的高分辨率測量中扮演重要角色。但GMR/TMR敏感體內部由于磁疇間的內應力、晶格之間摩擦力以及外力不均勻等因素的影響，導致其輸出響應中存在明顯的磁滯以及非線性現象，嚴重影響及制約了磁場測量精度及準確性[2,3]。因此為提高GMR/TMR磁傳感器的磁場測量精度，需要對其磁滯效應進行有效抑制。目前,針對GMR/TMR磁傳感器的磁滯抑制方法大體可劃分為3種:

1)基于物理原理或者數學方法，建立傳感器輸出的磁滯模型，從而較準確描述鐵磁材料的局部磁滯曲線，總體而言，磁滯數學模型[4～7]形式復雜，其密度函數的求取需要足夠多的訓練樣本和實驗測量數據，通過參數辨識，才可以保證磁滯模型精度。

2)從磁滯產生的內在機理出發通過結構設計和工藝優化減小磁滯效應。Urbaniak M等人[8]用NiFe/Cu多層膜來代替原來的NiFe膜，并改變其厚度，實現了GMR磁敏感體磁滯的降低。Aslibeiki B等人[9]研究發現不同的退火溫度可以改變材料的磁滯。然而上述方法在減小磁滯改善非線性的同時，其靈敏度往往會受到很大損失[10]。

3)通過磁場跟蹤補償方法對GMR磁敏感體磁化狀態的跟蹤控制實現磁滯抑制。Qian Z等人[11]引入補償系統，通過線圈產生補償磁場，在磁敏感體處補償掉外磁場，從而使磁電阻傳感器工作在穩定磁場，從而減小磁滯。但若要實現補償磁場的精確調控，補償系統需要低噪聲補償電流源，目前有關該方法在GMR磁傳感器領域還鮮有應用。

針對以上問題本文提出了一種針對磁阻傳感器的低噪聲磁滯補償系統，通過基于數字信號處理器(digtal signal processor,DSP)控制高穩定電流源產生補償電流，通過微補償線圈產生補償磁場，使得GMR/TMR敏感體處產生恒定磁場中。在減小磁敏感體磁滯的同時，抑制補償電流噪聲。

1 補償原理與系統構成

1.1 補償原理

本文提出的補償方法原理如圖1 所示，GMR/TMR磁傳感器在外磁場中，會感應到外磁場的變化，并將磁信號轉換為電信號傳遞給DSP，通過DSP核心模塊控制補償電流源實現精密電流控制，產生一個與外磁場趨勢相反的磁場。補償磁場在GMR/TMR磁傳感器處與外磁場疊加，使得其敏感的是一個恒定磁場，即設定的工作點。通過補償使得敏感體所在磁場穩定，從而大幅減小傳感器在外場變化下所產生的磁滯。

圖1 補償原理

1.2 微補償線圈的設計與制備

微補償線圈需要具有低電阻抗和高勵磁系數特性，從而降低對電流源的帶負載要求。利用平行電流產生平面磁場原理，基于COMSOL有限元仿真設計微線圈的結構如圖2所示。仿真結果如圖3所示，其有效電磁感應常數可達1 970.6 nT/mA，若補償50 000 nT的地磁場，單線圈僅需要約48 mA的補償電流。

圖2 微補償線圈模型

圖3 補償磁場仿真結果

本文采用微機電系統(micro-eletro-mechanical system,MEMS)工藝制作微補償線圈，工藝流程如圖4，所設計的微線圈寬度為75 μm，線間距為25 μm，厚度為4 μm，匝數15匝，導線材料為銅，電阻值約8 Ω。微補償線圈的實物如圖5所示，實測電阻值約9 Ω，最大功耗約為11.6 mW，滿足系統的低功耗要求。

圖4 補償線圈工藝流程

圖5 MEMS加工實物

1.3 硬件系統設計

圖6給出了補償系統的硬件框圖，DSP核心模塊通過多通道緩沖串行口(multichannel buffered serial port,MCBSP)控制20 bit-數/模(D/A)輸出高精密電壓，從而控制壓控電流源的輸出電流，并將電流施加在微線圈上形成補償磁場。同時基于高精密電阻器實現I-V取樣，從而將施加在微線圈上的電流轉換為電壓，并通過24 bit-A/D采集送至DSP核心模塊實現電流測量。

圖6中的預處理電路主要用于對D/A輸出信號的電壓跟隨和濾波。壓控電流源電路通過負反饋電路分壓實現，驅動電流的運放采用大電流運算放大器OPA544T，可支持高達2A的電流輸出。因制備的微線圈的電阻值為10 Ω左右，因此,設計的用于阻抗匹配高精密電阻值為10 Ω。因D/A和模/數(A/D)的信噪比都達到了近110 dB，并且基準源采用的是超低噪聲電壓基準源芯片MAX6325,因此,所設計的電路噪聲有望在10-6量級。圖7給出了磁阻傳感器的磁滯補償系統實物。

圖6 補償系統硬件框圖

圖7 磁阻傳感器的磁滯補償系統硬件電路實物

2 實驗與結果分析

為驗證所研制系統的性能，檢驗提出方法的有效性，搭建測試平臺對設計的補償系統進行測試，包括電流源噪聲測試，微線圈勵磁系數測量，磁滯補償效果評估等。

2.1 電流源噪聲測試

通過對比6位半精密萬用表(KEITHLEY 2010)和24 bit-A/D采集的電壓，進行電流源噪聲測試。每間隔1 s，測試電壓從10 Ω的取樣電阻器上采集，用以表征電流噪聲。通過測量電流源的均方根誤差(root mean square error,RMSE)評價其噪聲水平。圖8給出了室溫條件下(25 ℃)電壓測量結果，可以看出，其高精密萬用表測得的RMSE為3×10-6，而DSP測得的約5×10-6，與萬用表基本一致，2種測試方法的誤差是由于A/D芯片自身的增益誤差導致的。

圖8 電流噪聲測試

2.2 微線圈勵磁系數測量

為測量微線圈的勵磁補償系數，可通過外置線圈對比的方法進行測量標定，其中外置線圈已經通過高精度磁傳感器標定，其勵磁系數為115.5 nT/mA。首先通過外置線圈產生一個微小的正向磁場使得MR輸出發生變化，然后通過微線圈產生一個反向電流，抵消MR輸出的變化。圖9 給出了微線圈勵磁系數測量結果，由斜率(0.062 8)可計算出微線圈的勵磁系數為1 839.2 nT/mA。因此，在 54.37 mA補償電流下，可產生±50 000 nT的補償范圍，僅僅產生250 pT的噪聲。

圖9 微線圈勵磁系數結果

2.3 磁滯補償效果測試

通過將磁傳感器放置于外置海姆赫茲線圈內，設置外置電流源使得外置線圈產生±45 000 nT的磁場，采用本文提出的方法進行實時補償。圖10給出了磁滯補償結果，可以看出采用本文方法后磁滯降低了90 %。

圖10 磁滯補償結果

3 結 論

本文研制了一種面向磁阻傳感器的低噪聲磁滯補償系統。實驗結果表明:所研制的系統中高精密電流源的RMSE為(3～5)×10-6，通過對GMR/TMR磁傳感器進行補償實驗，磁滯降低了90 %，同時僅僅產生250 pT的噪聲。