磁阻型弱磁传感器特性自动测试系统*

田武刚，胡佳飞，王 伟，潘孟春*，陈棣湘

(1．国防科学技术大学机电工程与自动化学院，长沙410073;2．西北核技术研究所，西安710024)

基于各向异性磁电阻AMR(Anisotropic Magneto Resistance)效应材料制成的磁阻式传感器和基于巨磁阻GMR(Giant Magneto Resistance)效应的弱磁场传感器具有体积小、灵敏度高、成本低等优点，已经在地磁场探测、磁性编码器、电子罗盘、汽车速度和位置检测、微弱电流测量、电磁无损检测等许多领域得到了广泛的应用[1－4]。MR弱磁传感器的性能受到低频噪声、灵敏度、非线性、饱和磁场和零偏等参数的影响，在弱磁场应用中，MR传感器的噪声特性是一个至关紧要的参数，因为它决定了传感器的最小可探测能力，这其中1/f低频噪声决定了传感器在低频磁场应用中的探测能力[5]。如果能够减小MR磁传感器的1/f噪声，MR磁传感器的最小可探测能力就可以达到目前磁通门传感器的水平，甚至达到光泵磁力仪的水平，那么MR磁传感器将在地磁成像、武器探测、医疗、资源探测等领域发挥重要的作用[1－2]。对MR磁传感器低频噪声进行测量，并根据MR传感器低频噪声测量结果分析其噪声特性是减小MR磁传感器1/f噪声的基础。目前采用把低频测量磁场调制到高频的方法减小MR的1/f噪声[5－7]，而1/f噪声的测量结果为调制频率的确定提供了依据。另外，MR弱磁传感器的灵敏度与其探测能力紧密相关，非线性主要影响传感器的测量精度。因此，测量MR弱磁传感器低频噪声、灵敏度、非线性等特性具有重要意义。

近年来国内外学者对磁阻传感器特性测试开展了一些有益的研究。Jonker等设计了一套基于PC的低欧姆值(≤100 Ω)磁阻传感器噪声自动测量系统[8]，该系统采用了锁相放大器和频谱分析仪，体积比较庞大且成本很高。Nathan等采用笔记本计算机、数据采集卡和动态信号分析仪设计了一套磁阻传感器低频噪声测量系统[9]，相比文献[8]中的系统进行了简化，但是动态信号分析仪的价格较高。彭斌等建立巨磁阻效应计算机自动测试系统平台[9]，对自旋阀和磁性隧道结材料的巨磁电阻效应进行了测试，该系统具有方便、快速的优点，但是不能测量传感器的低频噪声。李建伟等利用惠斯通电桥、两极放大电路和频谱分析仪设计开发了磁性薄膜低频噪声测量系统[11]，该系统低频噪声测量精度主要取决于频谱分析仪，因此为了获得较高的测量精度需要选择高档次的频谱分析仪。

本文设计了一套MR弱磁传感器特性自动测试系统，该系统硬件上采用了24 bit数据采集卡和PC机，软件采用了 NationalInstrument公司的LabVIEW，通过功率谱分析实现噪声的测量，通过测试传感器输入输出特性曲线，计算得到其灵敏度和非线性等参数。测量精度主要由低噪声放大器和数据采集卡的性能决定，整个系统成本较低。利用该系统对商业化的GMR磁传感器AA002在1 Hz～10 kHz的频率范围内进行了噪声测量，并且测量了传感器的灵敏度和非线性。

1 测试系统

1．1 测试系统设计要求

对于MR弱磁传感器的低频噪声、灵敏度和非线性等特性的测量，设计一套可靠、重复性好、精确的测量方法和系统是非常必要的。测量MR弱磁传感器特性存在一些固有的困难:①所有的电子元件都存在1/f噪声，且频率越小1/f噪声越大;②测量环境的磁噪声，如地磁场的随机波动、电磁设备产生的磁干扰等，将影响到测量精度;③MR弱磁传感器的噪声与施加的磁场有关[7]，且测量传感器灵敏度和非线性时需要对外加激励磁场进行精确控制。

为精确测量MR弱磁传感器的噪声，要求测试系统中检测电路的噪声尽量小。MR弱磁传感器的噪声平方根谱密度在10 kHz附近时约为因此要求测量电路本底噪声要小于6 nV。传感器在1 G(Gauss)磁场时输出为几mV，综合考虑AD的分辨能力，电路总放大倍数设计为100～1 000可调。同时，为了保证放大电路的稳定性，需要使用高稳定性电源供电。

为了减小噪声信号谱分析的误差，需要采用多次平均值法或者互相关法对采集的噪声信号进行处理。此外，为了分析MR弱磁传感器的稳定性，需要较长时间(几个小时)的重复性测量。采用自动化测试系统，则可以使长时间的重复性测量自动完成。

测试系统的主要设计要求概括起来如下:

①测试系统放置MR传感器位置的磁场必须稳定，且无干扰磁场;

②MR传感器激励磁场可以精确调节;

③测试系统具有高度自动化，可以实现长时间的重复性测量;

④测试系统放大电路本底噪声要低，放大倍数可调;

⑤数据自动处理和存储，测量结果的图形化显示。

1．2 测试系统组成

图1给出了MR弱磁传感器特性自动测试系统的原理框图。测试系统以MR弱磁传感器构成惠斯登电桥，通过低噪声放大器把传感器信号放大后输出到数据采集卡，采集数据送到计算机中进行处理和分析。由于传感器信号非常小，因此测量的关键是尽量减小外界环境和测量电路本身对MR传感器输出信号的影响。

图1 测试系统原理框图

传感器测试电路的设计:为了降低温漂和接触噪声的影响，MR磁传感器组成惠斯登电桥进行测试，电桥采用低噪声高稳定性电池供电，供电电压为6 V，如图2所示。

图2 传感器测试电路

低噪声放大电路设计:因为放大倍数在100倍～1 000倍，需要采用两级放大。这就要求第1级放大电路的噪声值要尤其低，因为如果第1级放大电路的噪声值过高，则放大器噪声经过二级放大器的放大会严重影响到待测信号的精度。根据实际需要第1级采用低噪声晶体管设计了差分输入放大电路，输入噪声小于6 nV。信号采用两路放大，然后送至数据采集卡。这样可以检测信号的传输是否正确，同时还可以通过互相关运算排除信号传送电路中产生的不相干噪声。

数据采集卡:需要对两路放大信号同时进行采集，噪声信号测量的频率范围为1 Hz～10 kHz，而且采样精度要高。最终选择了NI的PCI－4461数据采集卡，其采样位数为24 bit，可以对两路信号同步采集，最大采样率为204．8 ksample/s，还有两路模拟输出，可用于控制恒流电源输出电流实现激励磁场的控制。采集得到的数据可以传送到计算机上进行处理。

为了减小外界环境对测量的影响，需要把传感器测试电路放进磁屏蔽桶中。磁屏蔽桶能提供一个近零磁场环境，方便对磁传感器进行测量。设计的磁屏蔽桶采用内外层为铝层、中间五层为高磁导率坡莫合金的结构。屏蔽桶内剩磁小于1 nT。如果磁屏蔽桶被磁化，屏蔽性能达不到使用要求时，要对屏蔽桶进行消磁处理。此外，在磁屏蔽桶内设计了一对亥姆霍兹线圈，用于产生MR磁传感器的测量磁场，线圈的系数为135 nT/mA，由高稳定的恒流电源提供激励电流。

1．3 测试系统软件设计

1．3．1 噪声测量方法

MR磁传感器噪声信号可以视为一种随机平稳信号，随机信号不存在通常意义下的傅立叶积分变换，但是可以用观测到的一定数量的样本数据估计其功率谱。随机平稳信号xn的功率谱定义为

其中，rx(m)为xn的自相关函数，Px(ω)在物理意义上说明了信号xn的频率成分，以及xn的功率随频率的分布。

在噪声信号功率谱分析中，为了提高噪声测量的精度，采取了两种方法:一是多次取平均值法得到频域曲线;二是采用互相关法后再得到频域曲线，即计算两路输出信号的互功率谱。信号xn和yn的功率谱定义为

其中，rxy(m)为xn和yn的互相关函数。

采用多次平均值法的好处是直接明了，但是需要多次计算，处理时间较长;采用互功率谱法的好处是能消除信号在传输过程中的不相干因素。因此，在本系统中，将这两种方法结合在一起，以提高系统测量精度。

1．3．2 软件实现

根据测量原理和系统硬件组建，测试系统软件的流程图如图3所示。

图3 测试系统软件流程图

测试系统软件可在如 Matlab、VC++、VB、LabVIEW等众多软件环境中开发。其中，LabVIEW是一个可实现对硬件进行控制，并对测量数据进行分析的强有力的软件开发环境[12]。本文在LabVIEW的软件环境中开发了测试系统软件，可实现对磁阻型弱磁传感器低频噪声的自动化测量。

2 MR磁传感器测试实验

2．1 实验所用传感器

实验所用的MR传感器为美国NVE公司商业化的GMR磁传感器AA002[13]。如图4所示，它内部含有4个GMR电阻(R1、R2、R3、R4)构成了一个全电桥，有一对磁力线聚集器用于放大被测磁场，全桥中的两个电阻(R1和R2)被磁力线聚集器所屏蔽。

图4 GMR磁传感器AA002内部结构

2．2 测试系统本身低频噪声测量

对研制的测试系统本身的低频噪声进行了测量，测量条件为:温度27℃;两路低噪声放大器的输出同时连接到公共地上;低噪声放大器的放大倍数设为500。按照前面的互相关法进行噪声测量，测试系统低频噪声平方根谱曲线如下图所示，当频率大于5 kHz时系统的噪声平方根谱密度小于满足设计要求。

图5 测试系统低频噪声平方根谱曲线

2．3 传感器低频噪声特性测量

在传感器低频噪声测量实验中，测量条件为:温度27℃，亥姆霍兹线圈的电流为零，传感器放置于磁屏蔽桶内，这时磁传感器的激励磁场近似为零，低噪声放大器的放大倍数设为500。测量了GMR磁传感器AA002的低频噪声，噪声特性曲线如图6所示。

图6 GMR磁传感器AA002低频噪声平方根谱曲线

从图6可以看出MR磁传感器的低频噪声随着频率的增加而显著减小，近似成比例关系。对于NVE的AA002在1 Hz时噪声平方根谱密度为几千，而在10 kHz时平方根谱密度约为。而厂商芯片资料中给出低频噪声的测量结果为[13]:9 V电池供电、温度27℃情况下，10 kHz时平方根谱密度约为18 V电池供电、温度27℃情况下，10 kHz时平方根谱密度约为。根据类推，可以得出:6 V电池供电、温度27℃情况下，10 kHz时平方根谱密度应略小于，因此可以本文的测量与传感器资料中给出的指标基本一致。

2．4 传感器输入输出特性测试

输入输出特性测试实验对于磁传感器研究来说是一项非常重要的内容，从中可以获得多项传感器性能评价指标，如灵敏度、非线性、磁滞特性等。输入输出特性测试实验在前面设计的测试系统中进行，将被测磁传感器放置在磁屏蔽桶内的一对亥姆霍兹线圈的中心位置，通过改变亥姆霍兹线圈中的电流控制激励磁场的大小和方向，并且测量传感器的输出，将传感器输出和激励磁场绘制成曲线就是传感器输入输出特性曲线。实验时AA002传感器电桥采用6 V电池供电，磁场按照“0→25 G→0→－25 G→0”的规律进行激励，激励磁场的间隔为0．01 G。根据实验中的测量结果，做出AA002的输入输出特性曲线如图7所示。

图7 GMR磁传感器AA002的输入输出特性曲线

从图7可以看出在激励磁场为±20 G时，传感器分别进入正向和反向饱和，传感器的线性工作区域为±15 G，可以计算出传感器在线性工作区域的灵敏度为3．35 mV/(G·V－1)，非线性约为 2．1%。另外磁传感器还存在着较大的磁滞。厂商芯片资料中给出测量结果为[13]:在1．5 G ～10．5 G 的范围内传感器的灵敏度为3．0 mV/(G·V－1)～4．2 mV/(G·V－1)，传感器的非线性为2%，磁滞最大为4%。可见，本文的测量与传感器资料中给出的指标基本一致。

3 结论

磁阻型弱磁传感器特性测试系统可以方便、快速的测量传感器低频噪声、灵敏度、非线性等特性，测量精度高，稳定性好，可以实现MR弱磁传感器1 Hz～10 kHz频率范围内的噪声测量，此外该系统还实现了弱磁传感器的灵敏度曲线自动测量和传感器饱和特性分析等功能。本系统对于研究分析MR弱磁传感器的噪声特性提供了一种有效的检测手段。

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