孫 琨， 潘孟春， 胡靖華， 胡佳飛， 杜青法， 潘 龍

(國防科技大學(xué) 儀器科學(xué)與技術(shù)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(xué)發(fā)展迅猛，各種磁性新理論、新材料快速發(fā)展，并迅速在信息存儲、工業(yè)電子、科學(xué)探測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(yōu)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(nèi)部由于磁疇間的內(nèi)應(yīng)力、晶格之間摩擦力以及外力不均勻等因素的影響，導(dǎo)致其輸出響應(yīng)中存在明顯的磁滯以及非線性現(xiàn)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(yīng)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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型[4～7]形式復(fù)雜，其密度函數(shù)的求取需要足夠多的訓(xùn)練樣本和實驗測量數(shù)據(jù)，通過參數(shù)辨識，才可以保證磁滯模型精度。

2)從磁滯產(chǎn)生的內(nèi)在機理出發(fā)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝優(yōu)化減小磁滯效應(yīng)。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(xiàn)了GMR磁敏感體磁滯的降低。Aslibeiki B等人[9]研究發(fā)現(xiàn)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(tài)的跟蹤控制實現(xiàn)磁滯抑制。Qian Z等人[11]引入補償系統(tǒng)，通過線圈產(chǎn)生補償磁場，在磁敏感體處補償?shù)敉獯艌?，從而使磁電阻傳感器工作在穩(wěn)定磁場，從而減小磁滯。但若要實現(xiàn)補償磁場的精確調(diào)控，補償系統(tǒng)需要低噪聲補償電流源，目前有關(guān)該方法在GMR磁傳感器領(lǐng)域還鮮有應(yīng)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(tǒng)，通過基于數(shù)字信號處理器(digtal signal processor,DSP)控制高穩(wěn)定電流源產(chǎn)生補償電流，通過微補償線圈產(chǎn)生補償磁場，使得GMR/TMR敏感體處產(chǎn)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(tǒng)構(gòu)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(yīng)到外磁場的變化，并將磁信號轉(zhuǎn)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(xiàn)精密電流控制，產(chǎn)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(shè)定的工作點。通過補償使得敏感體所在磁場穩(wěn)定，從而大幅減小傳感器在外場變化下所產(chǎn)生的磁滯。

圖1 補償原理

1.2 微補償線圈的設(shè)計與制備

微補償線圈需要具有低電阻抗和高勵磁系數(shù)特性，從而降低對電流源的帶負載要求。利用平行電流產(chǎn)生平面磁場原理，基于COMSOL有限元仿真設(shè)計微線圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真結(jié)果如圖3所示，其有效電磁感應(yīng)常數(shù)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(jié)果

本文采用微機電系統(tǒng)(micro-eletro-mechanical system,MEMS)工藝制作微補償線圈，工藝流程如圖4，所設(shè)計的微線圈寬度為75 μm，線間距為25 μm，厚度為4 μm，匝數(shù)15匝，導(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計

圖6給出了補償系統(tǒng)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(shù)/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(xiàn)I-V取樣，從而將施加在微線圈上的電流轉(zhuǎn)換為電壓，并通過24 bit-A/D采集送至DSP核心模塊實現(xiàn)電流測量。

圖6中的預(yù)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(xiàn)，驅(qū)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(shè)計的用于阻抗匹配高精密電阻值為10 Ω。因D/A和模/數(shù)(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(shè)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(tǒng)實物。

圖6 補償系統(tǒng)硬件框圖

圖7 磁阻傳感器的磁滯補償系統(tǒng)硬件電路實物

2 實驗與結(jié)果分析

為驗證所研制系統(tǒng)的性能，檢驗提出方法的有效性，搭建測試平臺對設(shè)計的補償系統(tǒng)進行測試，包括電流源噪聲測試，微線圈勵磁系數(shù)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(jié)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(dǎo)致的。

圖8 電流噪聲測試

2.2 微線圈勵磁系數(shù)測量

為測量微線圈的勵磁補償系數(shù)，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(jīng)通過高精度磁傳感器標定，其勵磁系數(shù)為115.5 nT/mA。首先通過外置線圈產(chǎn)生一個微小的正向磁場使得MR輸出發(fā)生變化，然后通過微線圈產(chǎn)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(shù)測量結(jié)果，由斜率(0.062 8)可計算出微線圈的勵磁系數(shù)為1 839.2 nT/mA。因此，在 54.37 mA補償電流下，可產(chǎn)生±50 000 nT的補償范圍，僅僅產(chǎn)生250 pT的噪聲。

圖9 微線圈勵磁系數(shù)結(jié)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(nèi)，設(shè)置外置電流源使得外置線圈產(chǎn)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(jié)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(jié)果

3 結(jié) 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(tǒng)。實驗結(jié)果表明:所研制的系統(tǒng)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(chǎn)生250 pT的噪聲。