高性能的微型低成本磁阻磁强计.pdfVIP

2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文 高性能的微型低成本磁阻磁强计 1 2 葛丽丽 王劲东 （1 中国科学院空间科学与应用研究中心北京 100190 ） （2 中国科学院空间科学与应用研究中心北京 100190 ） 摘 要：随着科学技术的发展，人们在磁场测量方面作了大量的工作，设计出了各种不同 的磁场传感器，并广泛的应用于磁场测量中。受到材料和工艺的限制，传统的磁场传感器的体 积很难缩小。本论文的研究目的是利用 HMC1001 磁阻传感器研制高性能的微型低成本磁场传感 器。本文介绍的磁阻磁阻磁强计采用交流耦合和闭环的工作模式，可以消除外界强磁场的干扰 以及磁阻传感器的历史影响，抑制温漂和非线形失真，提高传感器的灵敏度和分辨率。 关键词：磁阻磁强计，磁阻传感器，HMC1001，闭环测量 1. 引言 目前磁场探测仪器主要包括磁通门、质子旋进、光泵、霍尔效应、磁阻等原理 的磁强计。其中磁阻磁强计的体积小，成本低，灵敏度高，对弱磁场测量具有很高 的可靠性，在-0.0002T～0.0002T 范围内具有很高的分辨率和准确度，能够分辨出3nT 的磁场信号，测量范围达到±600000nT 。在探测磁场的大小、方向以及在探矿、地 下钻孔、位置检测、航海系统等方面得到了广泛的应用，尤其适合对体积要求相对 严格的场合。本文利用磁阻传感器设计了高灵敏度微型低成本的磁阻磁强计。文中 详细介绍了磁强计的设计和性能测试。 2. 系统设计与实现 系统的研制目标是利用 HMC1001 磁阻传感器来设计微型高性能的微型低成本 磁阻磁强计。要求所设计的磁阻磁强计在体积小，成本低的前提下，在灵敏度，线 性度，抑制温漂和非线性失真等方面的性能良好。 2.1 HMC1001 工作原理 HMC1001 有三个组成部分： 四个相同坡莫合金带形成的惠斯通电桥：如图 1所示，被测磁场会引起电 阻的变化，最终引起输出电压的变化。 磁场偏置电流带(offset strap) ：通过调整偏置电流带可以消除任何一个周围 的磁场，并可以使传感器工作在闭环模式下。 置位/复位电流带(S/R strap) ：消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，提高信 号输出。有效地消除温漂、非线形失真等影响，大大提高了磁阻式传感器 1 2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文 的灵敏度。 HMC1001 封装尺寸大约为 11mm*7mm*1.5mm。所以传感器的探头部分可以做 到很小的尺寸。 Vbridge R R 600-1200Ω UT+ OUT R R GND 图 1 惠斯通电桥 Fig. 1 Magneto-Resistive Wheatstone Bridge Elements 2.2 系统设计 本文设计的磁阻磁强计的优势在于：采样交流耦合的工作方式，并采样闭环工 作模式。交流耦合工作方式的优点在于：消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，消 除外界强磁场的干扰，提高灵敏度，线性度，并可以有效的抑制温漂的影响。闭环 工作模式的优点在于：能够稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，扩 展频带。具体实现如下： 利用offset strap (磁场偏置电流带)设计反馈电路，使传感