隧道磁电阻传感器的噪声抑制设计与测试*

沈建瑞, 谭 超, 朱开心, 潘礼庆2,

(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;2.湖北省弱磁探测工程技术研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.三峡大学 理学院,湖北 宜昌 443002)

0 引 言

基于磁性材料制作的相关磁性传感器得到了广泛的使用,在各个行业起着重要的作用。目前,测量磁场的仪器种类繁多,包括超导量子干涉仪器、感应线圈式磁力仪、磁通门磁力计、磁电阻磁强计等[1～3]。针对不同磁场强度的探测要求,发挥着重要的作用。磁电阻磁强计相比于其它测量仪器在体积、灵敏度、功耗等方面上占据更大的优势和可靠性。基于磁电阻传感器的磁强计在航海、地质勘探、科学研究等领域发挥着日益重要的作用[4～6]。国际上已有相关国家将磁阻磁强计应用于空间磁场探测任务中去。磁电阻传感器是构成磁强计的主要的探测元件,随着技术的进步,磁电阻传感器经历由各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)、巨磁电阻(giant magnetoresistance,GMR)、隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance,TMR)的发展。

基于隧穿磁电阻效应的磁性隧道结(MTJ)具有很高的灵敏度,被广泛应用于硬盘的读出磁头中,相应的磁性传感器在各行各业中展现了良好的应用前景[7]。对于隧道磁电阻传感器来说,其磁场的最小分辨率不仅仅取决于传感器的灵敏度还取决于应用器件的噪声,对于包含有氧化层的磁性隧道结来说,氧化层的电子俘获效应和磁性层中的畴壁移动可能大大增加其噪声。因此,想要提高磁场的极限分辨率就需要对磁性传感器的噪声进行处理。磁性隧道结的主要噪声体现在热噪声、散粒噪声和低频噪声。曹江伟等人[8]在对隧穿磁电阻效应磁传感器的中低频噪声测量与研究中发现TMR传感器的噪声主要表现在低频段1/f噪声,同时噪声功率谱密度与工作电流平方成正比关系。

综合对实际成本的考虑,实验采用江苏多维科技的线性隧道磁电阻传感器,设计相关信号调理电路,将低频信号调制到高频段处理,再采用基于商用的数字锁相放大器对其微弱信号进行解调处理,降低系统噪声。

1 隧道磁电阻传感器构造和测试原理

1.1 隧道磁电阻传感器构造

江苏多维科技生产的三维线性隧道磁电阻传感器,其构造如图1,为减小电路温度零点漂移,减小共模抑制比,降低电路的噪声,其内部会设计成一个简单推挽式惠斯通电桥。由图可知,只需在电桥的VOC和GND端加上一个电源,当有外界的磁场B作用时,则相对的2对电阻的阻值会一对增大一对减小,此时,磁电阻的灵敏度将被大大的增强。

图1 磁电阻传感器内部结构

1.2 测试原理

实验待测的信号常常会因为噪声的干扰而被淹没,而锁相放大的技术则可以很好地将需要的微弱信号从各种噪声中提取出来而不失真,并对其进行准确的测量[9]。其原理如图2所示。

图2 锁相放大原理模块

信号调理电路输出的信号作为输入信号进入信号通道,外部信号源提供的参考信号进入参考通道,经相敏检波(phase sensitive detection,PSD)和低通滤波(low pass filtering,LPF)的处理输出所需的有用信号。

设输入待测信号为SI(t),其中，AI,AR为信号的幅值,角频率为ω,ψ和δ为初始相位,初始参考信号为SR(t),进入PSD模块信号通道的信号设为

SI(t)=AIsin(ωt+ψ)+B(t)

(1)

式中B(t)为总噪声。

参考信号通道信号设为

SR(t)=ARsin(ωt+δ)

(2)

两路信号进入PSD模块进行乘法操作,得到输出

(3)

(4)

此时幅度则取决于被测调制信号的幅值AI,参考信号幅值AR以及二者相位差的余弦值。

2 信号调理电路设计

隧道磁电阻传感器的输出差分直流信号十分微弱,如果直接将直流信号放大,低频的1/f噪声也将被放大,对系统的测量造成很大的误差。为减少低频噪声的影响,实验设计对磁电阻传感器输出的电压信号分别进行了调制,再进行低噪声放大以方便方便数字锁相放大器的解调处理。

2.1 探头电路设计

采用多维科技的三轴线性隧道磁电阻传感器,传感器探头三轴感应磁场以差分电压的形式输出V0+和V0-,外部提供供电电源,使磁传感器正常工作。为减小探头体积和电磁干扰,隧道磁电阻传感器的芯片单独制作焊接在一块PCB上,如图3,通过连接器将探头电路和后端电路相连接,完成磁场信号的传输。

图3 传感器前端探头电路

2.2 调制电路设计

为避免缓慢变化的信号出现低频噪声和漂移等影响,需要对传感器输出的信号进行变换,而不直接将其进行放大。隧道磁电阻传感器呈现出很大的1/f噪声,此时,将调制电路将输出的微弱信号调制到高频信号,再采用锁相放大器将其信号进行解调,能高效的对其噪声进行抑制。

AD834是ADI公司生产的一种高进度的模拟乘法器。如图4所示,磁电阻传感器前端探头信号,经由连接器连接到调制电路。

图4 调制电路

2.3 交流放大电路设计

隧道磁电阻传感器可以准确感知到磁场的变化转换成电压的信号,外部磁场的微弱变化将使传感器的电压信号发生变化。磁电阻传感器的等效电阻不是固定不变的,其输出信号为差模小信号且具有较大的共模成分。此时,就需要选择放大倍数足够高,具有高输入阻抗和共模抑制比的放大器。

图5 交流放大电路

3 实验测试与分析

3.1 商用数字锁相放大器检测

传统的模拟乘法器在实现相干调制上存在诸多缺陷,模拟技术的相敏检波器会存在温度漂移,不仅极大地限制了相敏检波器的精度还会引入更多的背景噪声,其输出的结果与实际测量的结果会存在一定的误差。在模拟系统中,当背景噪声的幅值接近或远高于信号的幅值时,相干调制就会出现很大的误差,采用数字技术的相敏检波器可以很好地避免这样的误差,其动态储备主要受A/D转换的质量限制。经相敏检波处理的信号,仪器内部采用数字滤波器来实现对相干调制后的信号进行低通滤波处理,输出信号。

前端信号调理电路设计的调制放大输出的电压信号作为商用数字锁相放大器OE1022D信号通道的输入信号,信号源输出的参考信号进入到锁相放大器的参考通道。完成对输入信号和参考信号的相敏检波和滤波处理,提取所需的微弱信号,提高信噪比。其中,参考信号与调制电路的调制信号由同一信号发生器Tektronix—AFG3102C产生。

3.2 系统测试软件

系统的软件是仪器匹配的基于LabVIEW编写的可视化操作界面,如图6所示。其前面板用来完成用户定义的操作界面,实现数据的输出和显示。后面板通过调用函数模块实现完成对数据的传输和处理。输入与滤波器参数配置为：输入信号源单端电压信号、输入耦合为交流耦合、滤波器时间常数为300 ms;参考信号配置为：外部参考;通道与采样配置为：采样间隔10 ms,采样时间50 s。通过对输入与滤波参数配置、参考信号配置、通道输出与采样配置来实现对仪器的控制,完成信号的采集。

图6 测试系统界面

3.3 测试结果分析

为避免外界磁场对实验结果产生干扰影响,采用了中国钢铁研究院生产的五层屏蔽筒对外界的磁场进行屏蔽处理。为了消除屏蔽筒内部磁场的影响,采用厂家供给的配套电缆环绕整个屏蔽筒,施加大电流时,电缆产生的环形磁场汇聚在圆形屏蔽筒上达到消除其它方向磁场的作用。将传感器探头置于屏蔽筒内,对传感器输出的电压进行50 s的电压读数,采样电压进行数据处理,得到(取x轴和y轴为例)电压噪声功率谱密度如图7(a)所示,等效磁场噪声功率谱如图7(b)所示。

图7 功率谱密度

4 结 论