基于屏蔽结构的自旋阀开环电流传感器设计

宋小雨

摘要：为了扩大自旋阀传感器在开环电流传感器中的测量范围，采用软磁屏蔽方法，设计了一种基于屏蔽结构的自旋阀开环电流传感器。利用有限元仿真软件设计屏蔽结构模型，并对其进行磁性能的仿真和分析，推导理论传感结构，指导实测样品的设计和组装。根据实测结果，所设计的电流传感器可以实现500～500A范围的大电流检测，其灵敏度为0.85mV/V/A，线性度为3.79%，磁滞为0.60%。

关键词：电流传感器；自旋阀传感器；屏蔽结构；仿真

电流传感器是一种用于探测导体中电流大小和方向的检测装置，广泛应用于工业控制、智能电网、汽车电子等领域。[1]常用的车载电流传感器为开环传感结构，[2]其利用磁敏元件直接检测电流产生的磁场。目前，基于巨磁阻效应的电流传感器因其热稳定性高、分辨力高、响应速度快等優点受到汽车电子市场的青睐。[3]但是，对于汽车而言，其需求的电流传感器量程在300A以上，其中铁芯聚集的磁场将达数千高斯，而巨磁阻元件的线性范围通常为数十高斯，通常需要使用闭环结构，无法应用于车载电流检测。本文设计了一种基于屏蔽结构的巨磁阻开环电流传感器，开发了一种巨磁阻传感器与开环结构相匹配的模式，扩大了巨磁阻传感器的测量范围。

1 电流传感器的设计

本文设计的电流传感器由铁芯、屏蔽结构、自旋阀传感器和信号处理电路构成。铁芯聚集被测电流产生的磁场以及抗周围干扰磁场，屏蔽结构将自旋阀传感器感应区域的磁场衰减至线性范围内，自旋阀传感器感知磁场，输出弱电压信号，经信号处理电路放大输出。自旋阀传感器型号为SAD02，其线性工作范围在25～25Gs内，灵敏度为0.63mV/V/Gs，非线性度为1.34%。

1.1 屏蔽结构设计与仿真

本文所设计的电流传感器铁芯用于500A电流检测应用，其所需求的导线直径大于22mm，为适应此需求，考虑安装结构所需空间及铁芯内的磁通密度均匀性，采用硅钢作为铁芯材料，其内径为27mm，外径为37mm，气隙开口弧长为4mm，高度为10mm。屏蔽结构长20mm，宽10mm，高1mm，材料为具有高导磁率的坡莫合金。电流传感器磁信号探测模型模型如图1所示，仿真结果如图2所示。

在无屏蔽结构作用下，探究铁芯气隙内部及周围漏磁磁场的分布情况。当外加激励电流为500A时，铁芯气隙内的最大磁场强度为1535Gs，在气隙区域以外，由于漏磁，磁场随着距离增大而逐渐减小至100Gs。在所仿真的20mm距离之内，磁场强度均远大于自旋阀传感器的线性范围。

在有屏蔽结构作用下，将自旋阀传感器芯片与屏蔽结构紧密接触，其敏感位置距离屏蔽结构表面为0.5mm。当激励场从50Gs增大至750Gs时，屏蔽结构表面0.5mm处的磁感应强度从3.81Gs线性增大至57.17Gs，将该位置所能感测到的磁场与激励磁场的比值定义为屏蔽系数，其值约为0.08。自旋阀传感器结合屏蔽结构所能应用的磁场范围为312.50Gs，屏蔽作用区域需距离铁芯内径至少为11.7mm。将屏蔽结构与铁芯进行匹配，其中，屏蔽结构前边缘距离铁芯内径为10mm，为了达到最好的屏蔽效果，自旋阀传感器应置于屏蔽区域中心位置，即距离铁芯内径15mm，满足屏蔽作用区域距离铁芯内径至少为117mm的要求。

将有无屏蔽结构的铁芯气隙内部及周围磁场分布进行比较。从仿真结果图2中可以发现，在500A电流激励下，在距离铁芯内径11.7mm处，无屏蔽结构的磁场大小为236.47Gs，而屏蔽结构的磁场大小为24.97Gs，在距离铁芯内径15mm处，无屏蔽结构的磁场大小为155.46Gs，而屏蔽结构的磁场大小为8.83Gs。综上，屏蔽结构把磁场降低至传感芯片的线性范围内，使得自旋阀传感器可以应用于±500A量程电流开环检测。

1.2 硬件电路设计

电路设计如图3所示。自旋阀传感器输出电压只有几十毫伏，属于微弱信号，无法直接应用。为了使输出信号的范围尽可能大，以易于后端电路进行采集和识别，本文采用AD623对自旋阀传感器输出的电压信号进行放大。AD623是一款仪表放大器，可单电源应用，通过调节引脚1和引脚8之间的电阻，可使其增益在1～1000倍之间变化，在电流达到满量程时，输出电压达到5V；通过调节引脚5端口输入的电压，可以实现输出电压调零。

2 实验结果及分析

本文对有无屏蔽结构的自旋阀电流传感器进行对比测试，考虑到电流源最大电流为10A，在铁芯上绕制50匝线圈以产生500A的等效激励电流。实验所提供工作电压为5V，被测电流大小等效值为500～500A，以步进值25A进行回线测试，记录其电压输出值。测试结果如图4所示。

屏蔽结构电流传感器的量程为±500A，灵敏度为0.85mV/V/A，磁滞为0.60%，非线性度为3.79%。本文所研制的电流传感器由非线性度引起的误差较大，在实际应用中需要进行非线性补偿。无屏蔽结构结构电流传感器的量程下降为±75A，可以看到在量程范围以外，电流传感器因输出饱和无法工作，与此同时，电流传感器的磁滞扩大为26.50%，其灵敏度为6.54mV/V/A，非线性度为7.17%。这是因为去掉屏蔽结构以后，传感芯片直接感应铁芯气隙的磁场。当被测电流达到75A时，传感芯片本身尚未达到饱和，但传感芯片的输出信号经仪表放大器放大后已接近5V而输出饱和，因此此时电流传感器的磁滞特性被显著增大。

3 总结

设计表明，基于屏蔽结构的自旋阀开环电流传感器解决了自旋阀器件线性范围与开环结构下感应区域磁场不匹配问题。实验结果表明，该电流传感器可测量±500A的直流电流，灵敏度为0.85mV/V/A，磁滞为0.60%，非线性度为3.79%。屏蔽结构电流传感器显著降低了磁滞和非线性度，这是由于屏蔽结构对磁场的衰减作用和对自旋阀传感器的抗干扰作用导致的。

参考文献：

[1]和劭延，吴春会，田建君.电流传感器技术综述[J].电气传动，2018，4801：6575.

[2]阳桂蓉.开环霍尔电流传感器磁芯设计[J].自动化与仪器仪表，2017，02：7476.

[3]Baibich M N，Broto J M，Fert A，et al.Giant magnetoresistance of（001）Fe/（001）Cr magnetic superlattices.[J].Physical Review Letters，1988，61（21）：24722475.