磁通門(mén)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(chǎng)測(cè)量傳感器相比,磁通門(mén)傳感器具有分辨率高(最高可達(dá)10-11T)、測(cè)量范圍寬(10-11T～10-3T)、可靠性高、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)分量等特點(diǎn),自問(wèn)世以來(lái),一直是弱磁測(cè)量領(lǐng)域的主要傳感器之一。隨著微電子技術(shù)和微機(jī)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(mén)傳感器的主要發(fā)展方向。
　　磁通門(mén)傳感器的微型化需要解決如下問(wèn)題:集成磁通門(mén)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(dá)到飽和,必須采用高頻驅(qū)動(dòng),這些都嚴(yán)重影響集成磁通門(mén)探頭靈敏度和噪聲性能;方波驅(qū)動(dòng)是最容易實(shí)現(xiàn)也是最常用的激勵(lì)方式,研究其激勵(lì)參數(shù)對(duì)磁通門(mén)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(duì)傳感器的微型化具有重要意義。針對(duì)上述問(wèn)題,本文進(jìn)行了方波激勵(lì)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響、磁通門(mén)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(duì)缺乏方波激勵(lì)參數(shù)對(duì)磁通門(mén)靈敏度影響研究

3、的現(xiàn)狀,采用反電勢(shì)原理以及動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)建立了在方波電壓激勵(lì)條件下,激勵(lì)電壓幅值與靈敏度的關(guān)系模型,研究結(jié)果表明,隨激勵(lì)電壓幅值的升高會(huì)降低磁通門(mén)的靈敏度,且探頭靈敏度與激勵(lì)電壓幅值成反比關(guān)系。為驗(yàn)證該模型的正確性,設(shè)計(jì)制作了一種基于鈷基熔體抽拉絲的磁通門(mén)探頭,對(duì)該傳感器的激勵(lì)電壓幅值與靈敏度關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,該結(jié)果與方波激勵(lì)磁通門(mén)傳感器靈敏度分析結(jié)果相吻合。因?yàn)榉讲ㄊ谴磐ㄩT(mén)接口電路最常用的驅(qū)動(dòng)方式,該研究對(duì)于系統(tǒng)以及接口電路的設(shè)計(jì)具有重

4、要的實(shí)用價(jià)值,也是對(duì)傳感器現(xiàn)有靈敏度模型的完善和補(bǔ)充。
　　其次,為克服傳統(tǒng)磁通門(mén)探頭等效電學(xué)模型的局限性,在對(duì)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(mén)結(jié)構(gòu),建立基于磁滯理論的差分式磁通門(mén)探頭等效電學(xué)模型,模擬結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得良好的一致性,驗(yàn)證了模型的正確性,研究結(jié)果可用于與接口電路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)和管級(jí)混合模擬,分析磁通門(mén)和檢測(cè)電路的整

5、體性能,優(yōu)化開(kāi)環(huán)和閉環(huán)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。
　　最后,在理論分析的基礎(chǔ)上，完成了磁通門(mén)開(kāi)環(huán)以及閉環(huán)接口ASIC芯片設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)類(lèi)似中心點(diǎn)接地隔離變壓器對(duì)稱(chēng)全差分驅(qū)動(dòng),提出了一種負(fù)反饋?zhàn)云胶庑滦万?qū)動(dòng)電路以避免電源電壓漂移和溫度影響,同時(shí)還進(jìn)行了開(kāi)環(huán)、閉環(huán)接口電路中前置放大器、開(kāi)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(shí)現(xiàn)兩種磁通門(mén)接口ASIC芯片,用開(kāi)環(huán)接口ASIC配合鈷基非晶探頭,閉環(huán)接口A