高灵敏度磁传感器信号处理电路的设计

赵 臣，王 玲，郝永平

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

高灵敏度磁传感器信号处理电路的设计

赵 臣，王 玲，郝永平

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

由于传感器自身的失调电压以及外界干扰信号会造成磁场信号“饱和”现象，使正常的弱磁场信号被“湮没”。本文采用基于隧道磁电阻技术的高灵敏度磁传感器TMR2303进行信号处理电路的设计来解决磁场信号经过放大后引起的“饱和”问题。经实验测试，在复杂环境下该电路能够较好的检测出微弱磁场信号，且具有低功耗、体积小、抗干扰能力强以及低成本等优点。

隧道磁电阻；TMR2303；高灵敏度；微弱磁场

目前，磁传感器已广泛应用于汽车电子、能源、航空航天、组合导航以及飞行器控制等领域。磁传感器主要是基于霍尔效应(HALL)、各向异性磁电阻(AMR)效应以及巨磁电阻(GMR)效应或磁通门技术进行设计，这类磁场检测方式存在灵敏度较低、线性度差以及外围电路复杂等缺点[1]。隧道磁电阻(TMR)技术具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小、线性度较好、动态范围宽、高响应频率等优点[2]，一定程度上弥补了前几种技术的不足，在磁随机存取存储器(MRAM)、TMR磁头和磁传感器等自旋电子器件上颇受欢迎，具有广阔的应用前景[3]。

以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，但增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大、线性度差的缺陷。虽然AMR元件灵敏度比霍尔元件高很多，但其线性范围窄，同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作，造成其制造工艺复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度，但其线性范围偏低[4-5]。

TMR2303器件采用推挽式惠斯通电桥结构设计，能有效地补偿传感器的温度漂移；其内部包含四个高灵敏度TMR敏感电阻，输出信号的峰-峰值可达工作电压的80%，降低了许多应用中外部信号放大处理电路的复杂度，在部分应用中甚至不需要进行放大，减小了传感器体积，降低了整体成本[6]。

但是，在实际应用中发现，由于传感器自身的失调电压以及外界干扰信号会造成磁场信号“饱和”现象，导致输入电压与最终输出电压相等，使正常的弱磁场信号被“湮没”，无法进行有效的信号采集。常规试验环境下，载体周围存在的电机中的线圈、磁铁都会对正常采集的磁场信号造成辐射耦合的干扰。针对以上的问题，本文采用基于隧道磁电阻技术的高灵敏度磁传感器TMR2303进行信号处理电路的设计，以解决磁场信号经过放大后引起的“饱和”问题。

1 隧道磁效应

在磁隧道结(MTJs)[7-8]中，TMR效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。MTJs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，其矫顽力通常不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。随着外加磁场角度变化，传感器的输出电压呈正/余弦曲线。因此，可直接通过传感器的输出电压得到磁体角度位移的变化。由于正弦或余弦曲线的非单调性，需要两个磁敏感方向互相垂直的传感单元提供的信息来最终确定磁体的角度。

图1为隧道磁效应原理图。

图1 隧道磁效应原理

2 信号处理电路的设计

选用江苏多维科技有限公司的TMR2303高灵敏度磁传感器。在应用时发现磁传感器可能会由于传感器自身及外界各种干扰信号导致传感器的失调电压超出正常范围，以至“湮没”有效磁场信号。因此，设计如图2所示电路来解决信号“湮没”问题，提高电路的抗干扰能力。

由于所采集的地磁信号为微弱信号，该信号具有不稳定、高内阻等特点，因此磁信号处理电路采用二级放大电路，其放大倍数为150倍，输出电压为1.65V。其中，第一级由U1和U2组成两个同相运算放大电路，可以减小信号源内阻的影响，增大输入阻抗，提高共模抑制比[9]；第二级由U3组成差分运算放大电路，将传感器输出的差分信号转换为单输出信号，通过基准源VS7来抵消失调电压并调节稳定输出。通过德州仪器公司的TINA-TI软件绘制电路原理图，信号处理电路设计如图2所示，将此电路分别应用于TMR2303的X、Y、Z三个敏感轴上。

3 仿真及实际测试

根据图2所示的电路得出信号的幅频响应曲线，如图3所示，说明该电路在一定失调电压范围内，可以实现最终信号的稳定输出。

图2 磁信号放大电路设计图

图3 幅频响应曲线图

由基准电压与失调电压之间的关系，可根据传感器原始信号的失调电压确定基准电压值，保证放大信号正常且稳定输出，基准电压与失调电压的关系见表1。

表1 基准电压与失调电压之间的关系

由表1可以得出，基准电压Vref和失调电压Voffset的计算公式：

Vref=0.0106×Voffset+1.7666

由上式可以拟合出如图4所示的线性变化曲线。

图4 基准电压与失调电压关系

由于实验条件限制暂时无法对干扰信号进行实际的有效测量。根据设计的信号处理电路制作实物并经过单轴转台进行实际试验测试，得到如图5所示的信号波形图(分别在600°/s和1000°/s的旋转条件下测试)。

图5 实验测试

4 结束语

本设计是基于TMR2303传感器在实际应用中存在的磁场信号“饱和”现象而提出的一种电路设计方法，通过TINA-TI仿真分析并制作成实际电路板测试，该电路有效的防止了所采集到的磁场信号“饱和”现象，多级放大电路的设计改善了电路的稳定性和可靠性。经过实验测试，放大的信号输出稳定，对于微弱信号的检测非常灵敏，且电路具有低成本、低功耗等特点。

[1] 吕华,刘明峰,曹江伟，等.隧道磁电阻(TMR)磁传感器的特性与应用[J].磁性材料及器件,2012(3):1-4.

[2] 王琪.基于隧道磁阻传感器的电子罗盘设计[D].太原:中北大学,2015.

[3] 吉吾尔.吉里力,拜山·沙德克.隧道磁电阻效应的原理及应用[J].材料导报,2009,23(s1):338-340.

[4] Freitas P P,Ferreira R,Cardoso S,et al.Magnetoresistive Sensors[J].Journal of Physics Condensed Matter,2007,19(16):23-25.

[5] Egelhoff Jr W F,Pong P W T,Unguris J,et al.Critical challenges for pico Tesla magnetic tunnel junctionsensors[J].Sensors and Actualtors.2009(A115):217-225.

[6] MultiDimension Technology.TMR2303[DB/OL].(2011-08-16)[2016-10-23].http://www.dowaytech.com/1952.html.

[7] 韩秀峰,刘厚方,张佳,等.新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应[J].中国材料进展,2013,32(6):339-353.

[8] 白海力,姜恩永.磁隧道结(MTJ)[J].科技通报,2001,46(2):92-99.

[9] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006:326-329.

[10] Texas Instruments.LMV771[DB/OL].(2004-05)[2016-10-25].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lmv771.pdf.

(责任编辑：赵丽琴)

TheDesignofHighSensitivityMagneticSensorSignalProcessingCircuit

ZHAO Chen,WANG Ling,HAO Yongping

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The offset voltage sensor and external interference signal can cause the magnetic signal of “saturation”,so the weak magnetic field signal can be “annihilation”.Using high-sensitivity magnetic sensor based on tunneling magneto-resistance technology TMR2303 signal processing circuit design to solve the signal which is amplified due to magnetic field signal“saturation”.Experiments in complex environments to test the circuit can be used to detect weak magnetic signals and has the advantages of low power consumption,small size,strong anti-jamming ability and low cost.

tunneling magneto resistance;TMR2303;high sensitivity;weak magnetic fields

TP212

A

2016-11-11

赵臣(1991—)，男，硕士研究生；通讯作者：王玲(1960—)，教授，研究方向：先进控制理论及应用。

1003-1251(2017)05-0018-04