磁場傳感器的驅(qū)動與檢測技術.pdf

1、磁場傳感器目前已經(jīng)充斥于人類社會生活的各個角落，它幫助我們獲得了海量的存儲空間，實現(xiàn)了汽車、輪船和飛機的高精確度導航和定位，使我們能夠獲取異常微弱的信號和探索危險以及人類不能夠到達的領域。隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）設計與加工技術的不斷進步，使得便攜式磁場傳感器成為可能。在國外，出現(xiàn)了一些MEMS磁場傳感器，本實驗室也逐漸開始這類磁場傳感器的研究。本文研究的主要是硅磁場式傳感器的接口電路。 微傳感器接口電路有最常用的三種讀出機

2、構(gòu)，即壓阻式，電容式，和諧振式。即分別將傳感器物理量的變化轉(zhuǎn)化為壓阻的變換，電容的變化，和頻率的變化，再結(jié)合后續(xù)的接口電路，將這三種電學參量的變化值進行放大及相關的信號處理，得到方便讀取的信號。 本實驗室將采用一種新型的磁場傳感器檢測方式。即通過電熱激勵或者洛倫茲力激勵將傳感器激勵在其諧振頻率處，而在激勵作用下振動起來的懸臂梁在磁場中切割磁力線而產(chǎn)生感生電動勢，該感生電動勢的大小與外加磁場的大小成正比，檢測該電動勢的幅值，從而得

3、知磁場的大小。由于MEMS磁場傳感器的尺寸微小，切割磁力線產(chǎn)生的感應電動勢非常微弱，任何放大電路在此情況下都存在背景噪聲。如何在背景噪聲下把微弱信號檢測出來是設計微機電系統(tǒng)必須解決的一個關鍵問題。 本文對各種微弱信號檢測技術進行了介紹，包括濾波技術，鎖定放大技術，取樣平均技術等。本文采用低噪聲運算放大器加濾波的電路結(jié)構(gòu)來對磁場傳感器的微弱信號進行檢測。介紹了電路中的噪聲，并介紹如何通過計算及仿真來預測電路的固有噪聲大小。并對BJ

4、T、JFET、CMOS三種常見的低噪聲放大器性能進行比較。介紹了文章中所使用的前置低噪聲放大電路的的結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果，選定Burr-Brown公司生產(chǎn)的OPA627芯片構(gòu)成差動多級放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)微弱交流信號放大。并設計濾波電路，對電路的帶寬進行限制，以降低寬帶噪聲。選用MAXIM公司的一款基于狀態(tài)可調(diào)結(jié)構(gòu)的連續(xù)時間模擬集成有源濾波器（MAX275芯片），然后根據(jù)傳感器的特性，確定濾波器相關的各項參數(shù)，并給出前置放大電路+濾波器的整體測試電

5、路噪聲性能仿真結(jié)果。 通過設計具體的PCB電路板，來實現(xiàn)前述的電路結(jié)構(gòu)，并進行測試。首先使用Protel設計檢測電路原理圖，并制作相關電路板。接下來對前置放大電路、濾波器進行分別測試及整體測試。前置放大電路放大倍數(shù)為60．7dB（1080倍），-3dB衰減頻率為875KHz與計算、仿真結(jié)果基本一致。帶通濾波器中心頻率為16KHz，與設計相同，-3dB帶寬BW=900Hz，Q=17．78，H0=23．3。表明在比較低頻率下，誤差相

6、當小。中心頻率、放大倍數(shù)與計算值幾乎一致。Q值與計算值有5％左右的誤差。總體檢測電路測試結(jié)果顯示對于μV級信號可以得到良好的輸入輸出關系，輸入信號越增加，穩(wěn)定性準確度越高。接下來將傳感器、磁場和檢測電路結(jié)合進行測試，根據(jù)傳感器本征頻率對濾波器參數(shù)進行調(diào)整，然后在壓電陶瓷的激勵下檢測傳感器切割磁力線的輸出。測試結(jié)果顯示輸出電壓隨磁場大小變化基本呈線性關系。最后將前述檢測電路結(jié)合模擬開關，兩相不交疊時鐘實現(xiàn)所提出的分時復用激勵檢測模式，并給