磁通門傳感器及其接口ASIC芯片研究.pdf

1、與巨磁阻,各向異性磁阻,霍爾器件等磁場測量傳感器相比,磁通門傳感器具有分辨率高(最高可達10-11T)、測量范圍寬(10-11T～10-3T)、可靠性高、能夠直接測量磁場分量等特點,自問世以來,一直是弱磁測量領(lǐng)域的主要傳感器之一。隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展,在航天、軍事等領(lǐng)域?qū)ξ⒊叽鐐鞲衅鞯钠惹行枨笙?集成化研究成為磁通門傳感器的主要發(fā)展方向。
　　磁通門傳感器的微型化需要解決如下問題:集成磁通門探頭由于芯片面積所限,導(dǎo)

2、致其匝數(shù)低且磁芯橫截面積小,為使磁芯達到飽和,必須采用高頻驅(qū)動,這些都嚴重影響集成磁通門探頭靈敏度和噪聲性能;方波驅(qū)動是最容易實現(xiàn)也是最常用的激勵方式,研究其激勵參數(shù)對磁通門探頭靈敏度的影響非常重要;作為傳感器的重要組成部分,接口電路的集成化研究對傳感器的微型化具有重要意義。針對上述問題,本文進行了方波激勵參數(shù)對靈敏度的影響、磁通門等效電學(xué)模型以及接口ASIC芯片關(guān)鍵技術(shù)研究。
　　首先,針對缺乏方波激勵參數(shù)對磁通門靈敏度影響研究

3、的現(xiàn)狀,采用反電勢原理以及動態(tài)傳遞函數(shù)建立了在方波電壓激勵條件下,激勵電壓幅值與靈敏度的關(guān)系模型,研究結(jié)果表明,隨激勵電壓幅值的升高會降低磁通門的靈敏度,且探頭靈敏度與激勵電壓幅值成反比關(guān)系。為驗證該模型的正確性,設(shè)計制作了一種基于鈷基熔體抽拉絲的磁通門探頭,對該傳感器的激勵電壓幅值與靈敏度關(guān)系進行實驗研究,該結(jié)果與方波激勵磁通門傳感器靈敏度分析結(jié)果相吻合。因為方波是磁通門接口電路最常用的驅(qū)動方式,該研究對于系統(tǒng)以及接口電路的設(shè)計具有重

4、要的實用價值,也是對傳感器現(xiàn)有靈敏度模型的完善和補充。
　　其次,為克服傳統(tǒng)磁通門探頭等效電學(xué)模型的局限性,在對其分析的基礎(chǔ)上，修正經(jīng)典磁滯數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化參數(shù)提取方法,并將其轉(zhuǎn)換為等效電路,用電學(xué)行為模擬磁芯材料磁滯特性,然后按照差分式磁通門結(jié)構(gòu),建立基于磁滯理論的差分式磁通門探頭等效電學(xué)模型,模擬結(jié)果與實際系統(tǒng)實驗結(jié)果取得良好的一致性,驗證了模型的正確性,研究結(jié)果可用于與接口電路進行系統(tǒng)級和管級混合模擬,分析磁通門和檢測電路的整

5、體性能,優(yōu)化開環(huán)和閉環(huán)檢測電路的設(shè)計。
　　最后,在理論分析的基礎(chǔ)上，完成了磁通門開環(huán)以及閉環(huán)接口ASIC芯片設(shè)計。為實現(xiàn)類似中心點接地隔離變壓器對稱全差分驅(qū)動,提出了一種負反饋自平衡新型驅(qū)動電路以避免電源電壓漂移和溫度影響,同時還進行了開環(huán)、閉環(huán)接口電路中前置放大器、開關(guān)相敏解調(diào)、GM-C低通濾波器、積分器等重要電路的理論分析和研究。并采用CMOS技術(shù)實現(xiàn)兩種磁通門接口ASIC芯片,用開環(huán)接口ASIC配合鈷基非晶探頭,閉環(huán)接口A