基于屏蔽結(jié)構(gòu)的自旋閥開(kāi)環(huán)電流傳感器設(shè)計(jì)

宋小雨

摘要：為了擴(kuò)大自旋閥傳感器在開(kāi)環(huán)電流傳感器中的測(cè)量范圍，采用軟磁屏蔽方法，設(shè)計(jì)了一種基于屏蔽結(jié)構(gòu)的自旋閥開(kāi)環(huán)電流傳感器。利用有限元仿真軟件設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行磁性能的仿真和分析，推導(dǎo)理論傳感結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)實(shí)測(cè)樣品的設(shè)計(jì)和組裝。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，所設(shè)計(jì)的電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)500～500A范圍的大電流檢測(cè)，其靈敏度為0.85mV/V/A，線性度為3.79%，磁滯為0.60%。

關(guān)鍵詞：電流傳感器；自旋閥傳感器；屏蔽結(jié)構(gòu)；仿真

電流傳感器是一種用于探測(cè)導(dǎo)體中電流大小和方向的檢測(cè)裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。[1]常用的車(chē)載電流傳感器為開(kāi)環(huán)傳感結(jié)構(gòu)，[2]其利用磁敏元件直接檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。目前，基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器因其熱穩(wěn)定性高、分辨力高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)受到汽車(chē)電子市場(chǎng)的青睞。[3]但是，對(duì)于汽車(chē)而言，其需求的電流傳感器量程在300A以上，其中鐵芯聚集的磁場(chǎng)將達(dá)數(shù)千高斯，而巨磁阻元件的線性范圍通常為數(shù)十高斯，通常需要使用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，無(wú)法應(yīng)用于車(chē)載電流檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一種基于屏蔽結(jié)構(gòu)的巨磁阻開(kāi)環(huán)電流傳感器，開(kāi)發(fā)了一種巨磁阻傳感器與開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)相匹配的模式，擴(kuò)大了巨磁阻傳感器的測(cè)量范圍。

1 電流傳感器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電流傳感器由鐵芯、屏蔽結(jié)構(gòu)、自旋閥傳感器和信號(hào)處理電路構(gòu)成。鐵芯聚集被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及抗周?chē)蓴_磁場(chǎng)，屏蔽結(jié)構(gòu)將自旋閥傳感器感應(yīng)區(qū)域的磁場(chǎng)衰減至線性范圍內(nèi)，自旋閥傳感器感知磁場(chǎng)，輸出弱電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路放大輸出。自旋閥傳感器型號(hào)為SAD02，其線性工作范圍在25～25Gs內(nèi)，靈敏度為0.63mV/V/Gs，非線性度為1.34%。

1.1 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

本文所設(shè)計(jì)的電流傳感器鐵芯用于500A電流檢測(cè)應(yīng)用，其所需求的導(dǎo)線直徑大于22mm，為適應(yīng)此需求，考慮安裝結(jié)構(gòu)所需空間及鐵芯內(nèi)的磁通密度均勻性，采用硅鋼作為鐵芯材料，其內(nèi)徑為27mm，外徑為37mm，氣隙開(kāi)口弧長(zhǎng)為4mm，高度為10mm。屏蔽結(jié)構(gòu)長(zhǎng)20mm，寬10mm，高1mm，材料為具有高導(dǎo)磁率的坡莫合金。電流傳感器磁信號(hào)探測(cè)模型模型如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

在無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)作用下，探究鐵芯氣隙內(nèi)部及周?chē)┐糯艌?chǎng)的分布情況。當(dāng)外加激勵(lì)電流為500A時(shí)，鐵芯氣隙內(nèi)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為1535Gs，在氣隙區(qū)域以外，由于漏磁，磁場(chǎng)隨著距離增大而逐漸減小至100Gs。在所仿真的20mm距離之內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于自旋閥傳感器的線性范圍。

在有屏蔽結(jié)構(gòu)作用下，將自旋閥傳感器芯片與屏蔽結(jié)構(gòu)緊密接觸，其敏感位置距離屏蔽結(jié)構(gòu)表面為0.5mm。當(dāng)激勵(lì)場(chǎng)從50Gs增大至750Gs時(shí)，屏蔽結(jié)構(gòu)表面0.5mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度從3.81Gs線性增大至57.17Gs，將該位置所能感測(cè)到的磁場(chǎng)與激勵(lì)磁場(chǎng)的比值定義為屏蔽系數(shù)，其值約為0.08。自旋閥傳感器結(jié)合屏蔽結(jié)構(gòu)所能應(yīng)用的磁場(chǎng)范圍為312.50Gs，屏蔽作用區(qū)域需距離鐵芯內(nèi)徑至少為11.7mm。將屏蔽結(jié)構(gòu)與鐵芯進(jìn)行匹配，其中，屏蔽結(jié)構(gòu)前邊緣距離鐵芯內(nèi)徑為10mm，為了達(dá)到最好的屏蔽效果，自旋閥傳感器應(yīng)置于屏蔽區(qū)域中心位置，即距離鐵芯內(nèi)徑15mm，滿足屏蔽作用區(qū)域距離鐵芯內(nèi)徑至少為117mm的要求。

將有無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)的鐵芯氣隙內(nèi)部及周?chē)艌?chǎng)分布進(jìn)行比較。從仿真結(jié)果圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在500A電流激勵(lì)下，在距離鐵芯內(nèi)徑11.7mm處，無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)大小為236.47Gs，而屏蔽結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)大小為24.97Gs，在距離鐵芯內(nèi)徑15mm處，無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)大小為155.46Gs，而屏蔽結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)大小為8.83Gs。綜上，屏蔽結(jié)構(gòu)把磁場(chǎng)降低至傳感芯片的線性范圍內(nèi)，使得自旋閥傳感器可以應(yīng)用于±500A量程電流開(kāi)環(huán)檢測(cè)。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)如圖3所示。自旋閥傳感器輸出電壓只有幾十毫伏，屬于微弱信號(hào)，無(wú)法直接應(yīng)用。為了使輸出信號(hào)的范圍盡可能大，以易于后端電路進(jìn)行采集和識(shí)別，本文采用AD623對(duì)自旋閥傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。AD623是一款儀表放大器，可單電源應(yīng)用，通過(guò)調(diào)節(jié)引腳1和引腳8之間的電阻，可使其增益在1～1000倍之間變化，在電流達(dá)到滿量程時(shí)，輸出電壓達(dá)到5V；通過(guò)調(diào)節(jié)引腳5端口輸入的電壓，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)零。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對(duì)有無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)的自旋閥電流傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，考慮到電流源最大電流為10A，在鐵芯上繞制50匝線圈以產(chǎn)生500A的等效激勵(lì)電流。實(shí)驗(yàn)所提供工作電壓為5V，被測(cè)電流大小等效值為500～500A，以步進(jìn)值25A進(jìn)行回線測(cè)試，記錄其電壓輸出值。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

屏蔽結(jié)構(gòu)電流傳感器的量程為±500A，靈敏度為0.85mV/V/A，磁滯為0.60%，非線性度為3.79%。本文所研制的電流傳感器由非線性度引起的誤差較大，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償。無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電流傳感器的量程下降為±75A，可以看到在量程范圍以外，電流傳感器因輸出飽和無(wú)法工作，與此同時(shí)，電流傳感器的磁滯擴(kuò)大為26.50%，其靈敏度為6.54mV/V/A，非線性度為7.17%。這是因?yàn)槿サ羝帘谓Y(jié)構(gòu)以后，傳感芯片直接感應(yīng)鐵芯氣隙的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)電流達(dá)到75A時(shí)，傳感芯片本身尚未達(dá)到飽和，但傳感芯片的輸出信號(hào)經(jīng)儀表放大器放大后已接近5V而輸出飽和，因此此時(shí)電流傳感器的磁滯特性被顯著增大。

3 總結(jié)

設(shè)計(jì)表明，基于屏蔽結(jié)構(gòu)的自旋閥開(kāi)環(huán)電流傳感器解決了自旋閥器件線性范圍與開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)下感應(yīng)區(qū)域磁場(chǎng)不匹配問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電流傳感器可測(cè)量±500A的直流電流，靈敏度為0.85mV/V/A，磁滯為0.60%，非線性度為3.79%。屏蔽結(jié)構(gòu)電流傳感器顯著降低了磁滯和非線性度，這是由于屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)的衰減作用和對(duì)自旋閥傳感器的抗干擾作用導(dǎo)致的。

參考文獻(xiàn)：

[1]和劭延，吳春會(huì)，田建君.電流傳感器技術(shù)綜述[J].電氣傳動(dòng)，2018，4801：6575.

[2]陽(yáng)桂蓉.開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器磁芯設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2017，02：7476.

[3]Baibich M N，Broto J M，F(xiàn)ert A，et al.Giant magnetoresistance of（001）Fe/（001）Cr magnetic superlattices.[J].Physical Review Letters，1988，61（21）：24722475.