檀杰　張曉明　陳雷

摘要：針對(duì)惠斯通電橋形式實(shí)現(xiàn)的四端式AMR傳感器存在電橋偏置，在磁場(chǎng)測(cè)量的過(guò)程中其輸出信號(hào)經(jīng)放大采集時(shí)出現(xiàn)飽和截止的問(wèn)題。該文提出一種基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場(chǎng)精確測(cè)量方法，該方法通過(guò)置復(fù)位脈沖激勵(lì)的雙端輸出翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償，抵消電橋偏置，補(bǔ)全單端截止的輸出。實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)在標(biāo)定精度最高的最小二乘橢球擬合標(biāo)定算法，對(duì)AMR傳感器進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)對(duì)比橢球擬合圖的完整性來(lái)評(píng)價(jià)方法的可靠性。該方法解決傳感器的輸出受限，拓展傳感器的應(yīng)用環(huán)境，滿足高精度磁場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域，由于只在算法層面進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，避免硬件操作，方法簡(jiǎn)易，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：各向異性磁阻傳感器；電橋偏置；飽和截止；數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)；橢球擬合標(biāo)定

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0088-05

0引言

各向異性磁阻傳感器（AMR）是基于磁電阻效應(yīng)的新型磁敏傳感器。在側(cè)向、定位以及相關(guān)磁場(chǎng)測(cè)量中，AMR具有高可靠性、寬頻帶、小體積、耐惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。通常以惠斯通電橋形式實(shí)現(xiàn)的四端式AMR最為常見，但是由于工藝技術(shù)限制和惠斯通電橋配置等問(wèn)題，AMR傳感器在出廠后，會(huì)存在電橋偏置。電橋偏置導(dǎo)致傳感器感知外界磁場(chǎng)正常輸出時(shí)也將偏置電壓包含在內(nèi)，使得輸出不關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱，經(jīng)運(yùn)算放大器將此微弱信號(hào)放大采集時(shí)不能充分利用運(yùn)算放大器的輸出范圍，有的甚至超出范圍，導(dǎo)致傳感器的輸出信號(hào)飽和截止，對(duì)于磁場(chǎng)的測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。

對(duì)于上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外當(dāng)前研究提出如下解決方法：電子科技大學(xué)采用可調(diào)電阻的并聯(lián)電阻法，其優(yōu)點(diǎn)是電橋平衡精度較高，缺點(diǎn)是需要屏蔽所有的磁信號(hào)干擾來(lái)篩選可調(diào)電阻，對(duì)環(huán)境要求較高；哈爾濱工程大學(xué)采用儀表放大器產(chǎn)生一個(gè)與偏置電壓極性相反的電壓來(lái)抵消電橋偏置的放大器偏壓置零法，優(yōu)點(diǎn)是不直接影響電橋性能，缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積增大，成本增加；中北大學(xué)利用AMR傳感器的專利偏置帶并且設(shè)計(jì)Barber偏置電極來(lái)抵消電橋偏置，優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了各向異性，提高了靈敏度，缺點(diǎn)是會(huì)在周期性使用過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，增加傳感器負(fù)荷，降低傳感器性能；西北工業(yè)大學(xué)采用降低ADC分辨率來(lái)調(diào)節(jié)電橋偏置的動(dòng)態(tài)范圍，優(yōu)點(diǎn)是不需改動(dòng)硬件，缺點(diǎn)是增加了信噪比，降低了磁場(chǎng)測(cè)量精度凹。

本文提出一種基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場(chǎng)精確測(cè)量技術(shù)。相比于以上方法，不要求測(cè)量環(huán)境，避免硬件操作，只在算法層面補(bǔ)償數(shù)據(jù)，具有節(jié)省體積，降低成本，操作簡(jiǎn)易，精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

1AMR傳感器存在電橋偏置的原因

AMR傳感器由沉積在硅片上的坡莫合金（NiFe）薄膜組成磁電阻，并且沉積時(shí)外加磁場(chǎng)，形成易磁化軸方向，磁電阻與電流和磁化方向的夾角有關(guān)，表現(xiàn)為各向異性。正常情況下設(shè)計(jì)AMR傳感器使其工作在線性模式，即磁阻相對(duì)變化率處于線性范圍之內(nèi)，則測(cè)量磁場(chǎng)值與傳感器輸出成正比例關(guān)系。依據(jù)以上原理，AMR傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)如圖1所示，VDD為橋臂供電電壓，VOUT+和VOUT為橋輸出節(jié)點(diǎn)電壓。

根據(jù)圖中惠斯通電橋結(jié)構(gòu)示意圖可以得到橋總的輸出表達(dá)式即傳感器差分信號(hào)輸出為

理想情況下以惠斯通電橋配置設(shè)計(jì)的AMR傳感器，其制造目的是創(chuàng)建4個(gè)電氣性能相同的磁電阻，其空間對(duì)稱橋臂的磁電阻受地磁場(chǎng)的影響相同，電橋的主體是兩個(gè)分壓器元件（即半橋），每個(gè)分壓器元件在沒(méi)有受到外界磁場(chǎng)感知時(shí)具有相等的電阻抗，每個(gè)半橋在其零點(diǎn)，每個(gè)分壓器上的預(yù)期電壓應(yīng)為總橋電壓的一半，因此VOUT₊與VOUT_-相等。而電橋偏置則是由于VOUT₊與VOUT_-存在偏差造成的，其原因?yàn)槠履辖鸨∧こ练e到光刻區(qū)域的公差導(dǎo)致一些磁電阻誤匹配，造成阻值不平衡。電橋偏置是輸出節(jié)點(diǎn)上不期望輸出的電壓值，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)性能的下降。

2基于AMR傳感器SET/RESET功能的電

橋偏置消除原理及數(shù)據(jù)處理方法

基于AMR傳感器的SET/RESET功能，向S/R+條接頭的正向注入電流，激勵(lì)使得磁疇對(duì)準(zhǔn)易磁化軸正向，使得傳感器電橋極性為正斜率，且正磁場(chǎng)在傳感器軸上，從而使電橋輸出接頭之間電壓為正電壓，則此激勵(lì)為SET（置位）脈沖：而向S/R+條接頭的負(fù)向注入電流，激勵(lì)使得磁疇對(duì)準(zhǔn)易磁化軸反向，使得傳感器電橋極性在正磁場(chǎng)且在傳感器軸上的情況下為負(fù)斜率，從而使電橋輸出接頭之間電壓為負(fù)電壓，則此激勵(lì)為RESET（復(fù)位）脈、沖。如圖2所示為不同情況下的磁疇指向。

基于以上原理可知，AMR傳感器的置復(fù)位功能使得傳感器輸出極性相反，并且不會(huì)改變電橋偏置的值和極性，在傳感器的整個(gè)使用壽命過(guò)程中保持恒值。表達(dá)式如下式所示：

當(dāng)傳感器在置復(fù)位脈沖激勵(lì)下輸出均正常時(shí)，將式（2）中的兩個(gè)式子相減可以得到磁場(chǎng)的大小，如下式所示：

從式（3）可以看出，磁場(chǎng)值的大小僅僅與靈敏度有關(guān)，與電橋偏置無(wú)關(guān)，避免了由于傳感器受溫度變化敏感而引起電橋偏置改變的情況。

將式（2）中的兩個(gè)式子相加可以得到傳感器電橋偏置的大小，如下式所示：

當(dāng)傳感器在置位脈沖激勵(lì)下的輸出飽和截止時(shí)，可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)復(fù)位脈沖激勵(lì)下的輸出求得準(zhǔn)確的磁場(chǎng)值，如下式所示：

而當(dāng)傳感器在復(fù)位脈沖激勵(lì)下的輸出飽和截止時(shí)，可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)置位脈沖激勵(lì)下的輸出求得準(zhǔn)確的磁場(chǎng)值，如下式所示：

通過(guò)這種翻轉(zhuǎn)的方式可以得到傳感器單端飽和情況下在置位或者復(fù)位脈沖激勵(lì)下完整，準(zhǔn)確的輸出，一方面避免了對(duì)于AMR傳感器的調(diào)零操作和調(diào)零電阻不完全匹配帶來(lái)的偏置不準(zhǔn)確：另一方面只在算法層面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理補(bǔ)償避免了硬件上對(duì)傳感器進(jìn)行操作，節(jié)省了體積，降低了成本；此外還能在硬件電路上保證不以犧牲信噪比為前提而降低傳感器的性能。

3AMR傳感器SET/RESET功能電路的設(shè)計(jì)

不同系列的AMR傳感器SET/RESET功能信號(hào)要求不同。根據(jù)HMCl043芯片手冊(cè)所述，置復(fù)位電流脈沖至少需要500 mA且持續(xù)至少2μs，而置復(fù)位電阻為2.5Ω，所以脈沖峰值在1.25V以上需持續(xù)最少2μs的時(shí)間才能足夠置復(fù)位，根據(jù)以上要求并且運(yùn)用電容充放電原理及其二極管的開關(guān)特性設(shè)計(jì)了如圖3所示的SET/RESET電路舊。

圖中的MAGRST端采用微處理器產(chǎn)生的PWM方波進(jìn)行高低電平的控制，方波占空比為50%，在一個(gè)PWM周期，方波的上升沿即高電平使得Q₂導(dǎo)通，Q₁截止，電路對(duì)電容C₁充電，使得SET/RESET端為低電平，則會(huì)在SET/RESET端產(chǎn)生正向電流，電流流經(jīng)電阻條形成SET（置位）脈沖；而方波的下降沿使得Q₁導(dǎo)通，Q₂截止，電路對(duì)電容C₂充電，使得SET/RESET端為高電平，則會(huì)在SET/RESET端產(chǎn)生負(fù)向電流，電流流經(jīng)電阻條形成RESET（復(fù)位）脈沖，如此SET/RESET電路便可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的周期性置復(fù)位激勵(lì)，置復(fù)位信號(hào)輸出如圖4所示，脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占總脈沖寬度的20%。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以HMCl043作為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的AMR傳感器組成測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)由STM32F405微控制器作為控制單元，為磁傳感器提供周期性的PWM方波，方波控制SET/RESET電路對(duì)傳感器進(jìn)行周期性置復(fù)位脈沖激勵(lì)，脈沖頻率和MCU內(nèi)置ADC采集傳感器數(shù)據(jù)的頻率均為2 kHz，則采樣間隔為0.5 ms，首先將HMC1043三軸磁傳感器置于磁屏蔽筒中，將起屏蔽作用的屏蔽蓋都蓋上，在零磁場(chǎng)環(huán)境下上電采集磁傳感器的三軸電橋偏置，如圖5所示。然后選擇環(huán)境空曠且磁干擾較小的地方進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行橢球擬合，分別對(duì)比置位脈沖激勵(lì)下的橢球擬合圖，復(fù)位脈沖激勵(lì)下的橢球擬合圖，置復(fù)位脈沖激勵(lì)下的經(jīng)翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)臋E球擬合圖，如圖6～圖8所示。

從圖6～圖8 3種情況下的橢球擬合圖可以看出，在置位脈沖激勵(lì)和復(fù)位脈沖激勵(lì)條件下，傳感器輸出X軸和Z軸均在3.3v飽和截止：而在置復(fù)位脈沖激勵(lì)下經(jīng)過(guò)電橋偏置補(bǔ)償?shù)臋E球擬合圖沒(méi)有出現(xiàn)飽和截止現(xiàn)象，可以計(jì)算得到準(zhǔn)確的零點(diǎn)和靈敏度參數(shù)，補(bǔ)償電壓值實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)值的準(zhǔn)確測(cè)量。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)AMR傳感器惠斯通電橋結(jié)構(gòu)不平衡，當(dāng)被測(cè)量磁場(chǎng)為零時(shí)，傳感器半橋輸出節(jié)點(diǎn)上的電壓值不相等，存在電橋偏置，傳感器信號(hào)經(jīng)放大采集時(shí)出現(xiàn)飽和截止的問(wèn)題，提出一種基于AMR傳感器SET/RESET功能的磁場(chǎng)精確測(cè)量技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)置位信號(hào)或者復(fù)位信號(hào)激勵(lì)下磁傳感器輸出存在飽和截止導(dǎo)致無(wú)法正常測(cè)量磁場(chǎng)值時(shí)，采用這種技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償和電橋偏置的消除，可以得到傳感器完整的磁測(cè)電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行橢球擬合標(biāo)定求得零點(diǎn)和靈敏度參數(shù)，運(yùn)用所求的零點(diǎn)和靈敏度在置復(fù)位功能條件下補(bǔ)償傳感器輸出即可精確測(cè)量磁場(chǎng)。拓展了AMR傳感器的應(yīng)用環(huán)境，提高了傳感器的系統(tǒng)性能。

（編輯：劉楊）