微型电流传感器AMR探头芯片研究与测试

王 浩，王茂励，董振振，钟贻兵，程广河

(1.青岛理工大学信息与控制工程学院，山东青岛 266520；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省计算中心(国家超级计算济南中心)，山东省计算机网络重点实验室，山东济南 250014；3.曲阜师范大学信息与控制工程学院，山东日照 276800；4.山东航天电子技术研究院，山东烟台 264000)

0 引言

随着航天技术的进步，电流传感器在航天器中使用的越来越多，电流传感器在航天系统中展现出了越来越重要的使用价值。电流传感器输出模拟电压值，通过A/D转换变成数字信号，并作为遥测数据发送给地面接收站，使科研人员能够实时获取航天器各监测点的电流值，有助于掌握卫星的运行状况，当某部分设备发生故障时，能对故障进行快速定位，并可以通过发送关断指令，避免故障设备对航天器产生进一步损害。例如，电流传感器用于航天器的供配电系统中，就可以掌握航天器的母线电流和各分系统电流。磁致电阻效应是一项重要的科学发现，各向异性磁阻(anisotropic magneto resistance，AMR)是铁磁材料的电阻率随外界磁场和电流方向夹角改变而改变的现象。AMR磁阻效应的磁阻传感器灵敏度高，使用该原理设计的传感器能够在很多领域中使用。在铁磁材料中，NiFe、Nico合金被大量应用以获得AMR磁阻效应。AMR磁阻效应原理制成的传感器目前得到了广泛应用，可以用以制作地球磁场测量、车辆监测、磁存储器探头、接近开关、角度传感器、电流传感器等。而AMR磁阻效应原理制成的电流传感器具有高灵敏度、低温漂的性能，较其他电流传感器相比，有其独特的优势。

1 AMR磁阻电流传感器总体方案

本文基于零磁通原理来设计电流传感器。被检测电流所产生的磁场作用于AMR磁阻芯片，AMR磁阻芯片就会有感应信号输出，该信号经放大，送至功率放大电路，转变为电流值，该电流为补偿电流。补偿电流流过补偿线圈，也会产生作用于AMR磁阻芯片的磁场，补偿电流产生磁场和被检测电流产生磁场方向相反，所以AMR磁阻芯片的输出电压会降低。当补偿电流产生磁场和被检测电流产生磁场相等时，补偿电流达到稳定值。这就是AMR磁阻电流传感器零磁通检测的原理。补偿线圈的电流流过采样电阻，输出线性对应的标准电压信号，从而实现了对被检测电流的测量。AMR磁阻电流传感器总体方案框图如图1所示。

图1 传感器总体方案设计框图

2 传感器AMR探头芯片设计

2.1 AMR探头芯片的Barber电极设计

AMR探头芯片是传感器的核心芯片，其将载流带中电流产生的磁场转换为电信号。普通的AMR探头由于是由坡莫合金材料制成的AMR电阻，如图2所示，磁场方向与内部电流方向夹角为90°，当磁场与图中反向反转180°时，与内部电流方向的夹角依然为90°，完全不同方向的磁场引起坡莫合金电阻的磁阻变化是相同的，所以普通的AMR探头是不能分辨外加磁场的方向性的。

图2 无Barber电极的磁阻

为了满足航天器对传感器线性度和灵敏度的要求，本文选用有Barber电极的磁阻。Barber电极通过在坡莫合金材料制作成的电阻中加入铝材料，由于铝材料与坡莫合金的阻抗不同，所以内部电流路径会优先选择阻抗低的铝材料，其电流流向将发生改变，从而使得外部磁场与内部电流方向的夹角产生了变化。如图3所示，坡莫合金材料做成的电阻设计为带状结构，Barber电极与电阻的长带状方向成45°角，电源电流流过带状电阻，会优先选择阻抗小的通路，同时用最短路径通过阻抗高的通路，因为内部电流的方向垂直于Barber电极方向，与电阻的长带状方向也成45°角，通过这种设计，图2中同样的磁场方向，与内部电流方向的夹角，从90°变化为45°，而磁场方向发生180°翻转时，其余电阻内部电流方向夹角变化为135°夹角，而磁阻元件输出曲线为余弦函数，两者幅度相等，但正负号相反，从而实现了对方向性的识别。

图3 有Barber电极的磁阻

2.2 AMR桥式电路

将AMR探头芯片设计为一个惠斯登电桥，电桥的4个桥臂电阻均由坡莫合金材料制成，通过几何设置方法，设计2个半桥，分别位于沿中心线对称的位置，通过设计每个桥臂电阻的Barber电极，使每个桥臂的方向相反，对应不同的电阻值变化方向(如图4所示)，有效提高灵敏度。

图4 桥式电路工作示意图

R1～R4是4个桥臂电阻，通过VCC为惠斯登电桥供电，当载流带中有如图4所示方向的被检测电流时，因为Barber电极的设置，外磁场与桥臂电阻中的电流方向夹角存在差异，使得R1、R4电阻阻值增大，而R2、R3电阻阻值下降(如图4箭头所示方向)，桥式电路产生差分电压信号输出，惠斯登电桥的输出电压为

(1)

式中：VM为惠斯登电桥输出电压，V；VCC为惠斯登电桥输入电压，V；R1～R4是4个惠斯登电桥桥臂电阻，Ω。

若4个桥臂的电阻相同,R1=R2=R3=R4=R，代入式(1)可得：

(2)

此时，VM=0，电桥平衡，输出电压为0。当载流带中有被检测电流时，R1～R4阻值发生变化，假设4个桥臂电阻性能完全一致，如前面所述，R1、R4的阻值增大ΔR，R2、R3的阻值下降ΔR，式(2)变为：

(3)

式中ΔR为2个桥臂电阻阻值的改变值，Ω。

在调理电路的作用下，传感器会在补偿电流线圈中形成与被检测电流方向相反的电流信号，其余被检测电流产生的磁场恰好相反，因其补偿线圈封装在芯片内，与各桥臂的距离远远小于载流带与各桥臂的距离，所以用小的电流就能补偿被检测电流产生的磁场，当两者达到平衡，R1～R4回到接近外磁场为0时的阻值，桥式电路的输出接近于0。

此外，AMR探头芯片设计为惠斯登电桥有较强的抗干扰性能。因为载流带为U型结构设计，所以在载流带中流过电流时，R1、R2所受到的磁场方向与R3、R4的恰好相反，所以惠斯登电桥能够输出差分电压信号。AMR探头芯片的尺寸很小，对于外界干扰磁场来说，可近似的看为一点，所以其受到的干扰磁场的方向和大小近似相等，如图5所示。

图5 探头的抗干扰原理

假设外界干扰磁场方向如图5所示，同样因为Barber电极的设置，如图5中箭头所示，R1、R3阻值升高，R2、R4阻值下降，而因为2个桥臂的材料与尺寸具有高度的一致性，2个半桥的变化近似相等，AMR探头芯片的差分输出没有变化。通过这种设计，使传感器具有良好的干扰能力。

2.3 AMR探头芯片的偏置磁场

因为AMR磁阻芯片的输出与内部磁化方向与电流方向夹角有关，所以，磁阻传感器有2个稳定工作特性曲线。因此假如有外加与坡莫合金内部磁化相反的强磁场干扰，薄膜合金工作特性曲线就会跳变，从正极性输出变为负极性输出，即坡莫合金内部被反向磁化。为了保证磁阻芯片的输出电压为设计值，所以需要给磁阻元件添加偏置磁场。通过在磁阻2个半桥的旁边，添加2个条形的永磁体，如图6所示。永磁体A和永磁体B平行方式，且N极与S极方向一致，从而形成相应方向磁力线，给半桥A和半桥B施加恒定的偏置磁场，从而控制惠斯登桥式电路的灵敏度和线性度，并增加了抗干扰能力。

图6 永磁体为芯片提供偏置磁场示意图

3 探头芯片测试

3.1 测试平台建立

整个测试平台由安捷伦数字电源、安捷伦数字万用表、精密电流源、PC机组成。安捷伦数字电源可以提供稳定的工作电源；安捷伦的数字表能实现实时采集，并能通过串口与PC机通讯；精密的电流源的电流输出精度控制在选定量程的3以内，同样能通过串口与PC机通信；PC机设计单路测试软件一套。软件通过串口控制精密电流源输出制定的电流值，并可读取安捷伦数字万用表采集到的电压值，在指定输出的多点电流值，采集相对应的电压值。

3.2 补偿线圈加电流线性测试

补偿线圈加电流源测试连接方式如图7所示，电源为AMR芯片的惠斯登电桥供直流电压，精密电流的电流输出回路接芯片的补偿线圈，万用表采集惠斯登电桥的输出电压。

图7 芯片的补偿线圈加电流测试

给补偿线圈加正向电流做线性测试，测试电流范围0～20 mA，均分11个测试点，分别为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 mA。用精密电流源加11个点的电流，待电流稳定后，用万用表测量对应的电压值，软件读取电压值，最后通过最小二乘算法，计算本次测量的线性度其结果如表1所示。表1中X为输入电流，Y为输出电压。

表1 补偿线圈正向电流线性测试

通过表1的原始数据和中间计算数据，可以求出其线性度为0.47%。

给补偿线圈加反向电流做线性测试，测试电流范围0～20mA，均分11个测试点，分别为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20mA。用精密电流源加11个点的电流，待电流稳定后，用万用表测量对应的电压值，软件读取电压值，并对数据进行线性分析，其结果如表2所示。

表2 补偿线圈反向电流线性测试

通过表2的原始数据和中间计算数据，可以求出其线性度为-0.39%。

分析结果可以看出，AMR探头芯片可以线性测量补偿电流产生的磁场，无论加正向电流，还是加反向电流，其线性度绝对值均在1%以内。

3.3 载流带加电流线性测试

载流带加电流测试连接方式如图8所示，电源为AMR芯片的惠斯登电桥供直流电压，精密电流源的电流输出回路接芯片的的载流带，万用表采集惠斯登电桥的输出电压。

图8 载流带加电流测试

给载流带加正向电流做线性测试，测试电流范围0～50 A，均分11个测试点，分别为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 A。用精密电流源加11个点的电流，待电流稳定后，用万用表测量对应的电压值，软件读取电压值，并对数据进行线性分析，其结果如表3所示。

表3 载流带加正向电流线性测试

通过表3的原始数据和中间计算数据，可以求出其线性度为-0.87%。

给载流带加反向电流做线性测试，测试电流范围0～50A，均分11个测试点，分别为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50A。用精密电流源加11个点的电流，待电流稳定后，用万用表测量对应的电压值，软件读取电压值，并对数据进行线性分析，其结果如表4所示。

表4 载流带加反向电流线性测试

通过表4的原始数据和中间计算数据，可以求出其线性度为1.09%。

分析结果可以看出，AMR芯片的载流带加电流测试的线性度，与补偿线圈加电流测试相比，线性度稍差，其线性度绝对值在1%左右，但仍可说明AMR芯片能够线性检测载流带中电流产生的磁场。在测试过程中，可以发现，电路板整体发热，载流带在流过电流时，因自身阻抗导致产生热耗，随着电流增大，电路板温度上升较快，芯片因发热导致温漂，所以影响了芯片输出，导致线性度变差。

3.4 磁平衡工作状态测试

本课题研究的磁阻电流传感器的AMR探头芯片，工作在闭环状态下，当达到磁平衡时，被检测电流流过载流带产生的磁场，被补偿线圈中的补偿电流产生磁场相抵消，AMR芯片输出接近于0，整个闭环也达到平衡，所以磁平衡的稳定性，是考核AMR芯片的重要性能。使用2台高精度电流源，一台给载流带供被检测电流，另一台给补偿线圈供补偿电流，令载流带流过50 A被检测电流，调节另一台精密电流源的输出电流大小，AMR芯片的输出电压接近于0，记录芯片的当前输出，并保持2 h，并记录2 h后的输出电压值，测量结果如下表5所示。

表5 磁平衡稳定性测试数据

从表中可以看出，保持2 h，传感器的输出一直稳定的工作在磁平衡状态下，输出仅仅变化了5 μV。通过以上测试可以发现，AMR探头芯片的输出与载流带中的电流大小、补偿线圈的电流大小均为线性对应关系，可以有效的检测两者产生的磁场，而且补偿线圈中的电流可以有效的补偿载流带中电流产生的磁场，AMR探头芯片满足本课题的需求。

4 结束语

本文针对航天器微型电流传感器，对其探头芯片进行了研究，提出了AMR芯片的Barber电极设计，提出了AMR桥式电路，并分析了这种电路设计形式抗干扰的原理，并为探头芯片提供了偏置磁场方案，最后对芯片进行了详细测试，介绍了测试方法、测试平台，在补偿线圈和载流带分别加电流进行线性测试，并模拟产品实际工作的磁平衡状态，测试结果，AMR芯片线性度绝对值在 1%左右，说明探头芯片设计合理，各方面性能优异，可以很好的用于闭环电流传感器。