基于隧结磁传感器(TMR)的纸币磁图像识别模块设计.docx

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基于隧结磁传感器（TMR）的纸币磁图像识别模块设计

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摘要：根据纸币磁性鉴伪技术发展趋势，提出了一种基于TMR（隧道磁电阻）传感器的纸币磁图像识别模块技术方案，介绍了其结构组成和工作原理，提出了磁敏感单元选取依据和磁敏感阵列方案，设计和分析了磁图像信号处理电路，包括模拟信号调理电路和信号采集控制电路。该技术方案具有空间分辨力高、灵敏度高和功耗低等特点。

关键词：隧道磁电阻；磁图像

0引言

目前，主流的纸币鉴伪技术有磁性鉴伪技术、红外线鉴伪技术、微型全息鉴伪技术[1]。磁性鉴伪技术包括磁性条码鉴伪技术和磁图像鉴伪技术，方培生等人研究了基于纸币安全线鉴伪InSb传感器[2]，蒋峰、鲍丙豪等人研究了非晶态合金丝传感器的人民币磁性安全线测量系统[3]，邓秀剑、刘利等人研究了磁安全线信号的提取和时频分析，取得了较好的时域和频域特征[4]。但是随着纸币安全线伪造技术的提升，磁安全线鉴伪技术已不能满足纸币鉴伪的需求。磁图像鉴伪的原理是在纸币表面用高空间分辨力的磁传感器检测表面的磁场分布，磁场分布的特点和形态根据不同类别纸币中磁性微粒的数量、体积、分布、磁参数（如磁导率、剩磁、矫顽力等）等因素各有不同，因而磁性特征更加复杂，伪造难度极大，是纸币磁性鉴伪技术发展趋势。在此基础上，本文提出了一种采用综合性能优异的TMR作为磁敏感单元的磁图像识别模块设计方案，具有纸币上磁信号感知、采集和传输功能。

1磁图像识别模块结构及原理

纸币磁图像识别模块由磁敏感阵列、永磁体、磁屏蔽层、信号处理电路、外壳框架等组成，如图1所示。磁敏感阵列位于最下端，包括360个磁敏感单元和电路基板，磁敏传感阵列实现将360个被识别点的磁信号同步转化为电信号。永磁体（第二层）用于对被识别点的软磁材料磁化并产生磁偏置场、提高磁性区域信号强度。信号处理电路（第三层）用于实现对磁敏感阵列获得的信号的滤波、放大、比较、采集、传输等功能。磁屏蔽层（最上层）用于抑制环境对信号处理电路产生的干扰信号。外壳和框架，用于模块的电磁防护、安装、模块内各部件的固定和保护。

图1纸币磁图像识别模块结构示意图

如图2所示，磁敏感阵列中每个磁敏感单元的敏感轴均与纸币运动方向平行，被检纸币从磁图像识别模块下端匀速通过，当磁敏感单元下端无磁性体通过时，偏置磁场在被识别点处磁力线不发生变化，磁敏感轴方向无磁信号变化，传感器无信号变化。当磁敏感单元下端有磁性体通过时，偏置磁场在磁性体的聚磁作用下发生磁力线的变形扭曲，在磁敏感单元的敏感轴方向磁场产生变化，从而使电压输出发生变化。信号处理电路对磁敏感阵列产生的360路模拟信号进行处理后，转换为开关信号，通过高速开关量采集处理器将数据帧实时发送到上位机，当被检纸币向右移动时，上位机对数据帧按照数据获取的位置在平面上进行标记，从而获得纸币的磁图像。

图2纸币磁图像识别模块工作原理示意图

2TMR磁敏感单元阵列设计

2.1TMR磁敏感单元的原理和特性

TMR材料的多层膜结构由钉扎层、隧道势垒层、自由层构成。钉扎层由铁磁层（被钉扎层）和反铁磁层构成，铁磁层和反铁磁层之间的交换耦合作用决定了铁磁层的磁矩方向；隧道势垒层通常由氧化物构成，位于铁磁层的上部。自由层位于隧道势垒层的上部，如图3所示。TMR传感技术最早应用于计算机硬盘，极大提高了硬盘驱动器的信息存储密度。

图3TMR材料结构

磁图像识别模块的磁敏感单元选择上，AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以采用，但是TMR作为传感器具有较明显的综合优势，很适合作为磁图像识别模块的磁敏感单元，表1给出了三种磁阻效应传感器技术比较[5]。

表1磁阻效应传感器比较

传感器类别

AMR

GMR

TMR

最小尺寸（mm）

1×1

1×0.6

0.5×0.5

磁电阻变化率（%）

3

15

50-300

工作范围（Oe）

0.001-10

0.01-30

0.001-200

典型灵敏度(mV/V/Oe)

1

3

20

频响(Hz)

1M

≮1M

≮1M

信噪比（dB）

65

70

90

功耗（mA）

1-10

0.1-1

0.001-0.01

复位线圈

需要

不需要

不需要

2.2TMR磁敏感单元阵列设计

TMR磁敏感单元阵列选择由360个并行排布的TMR磁敏感单元裸片和PCB板组成，如图4所示，每个磁敏感单元长度和宽度均为0.5mm，PCB板长200mm，宽10mm。敏感轴方向与永磁体磁极在该处产生的磁场方向正交，TMR裸片阵列通过邦定机邦定到PCB板上。

图4磁敏感阵列

3磁图像信号处理电路设计

信号处理电路由调理电路、采集控制电路和电源电路组成，原理框图5所示。信号调理将采集到的360路模拟信号处理后转化为360路开关