CN104101366A - 抗外磁干扰的方法及使用该方法的磁传感芯片 - Google Patents

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陈�全
钟政
楼永伟
汪飞
高彬
李武华
陈潼
茅晓捷
王浩军
陈荧
谢明
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Abstract

一种抗外磁干扰的方法，包括设置磁传感芯片内部由四个磁传感单元及一根检测导线组成，其中，所述四个磁传感单元呈长方形阵列排列，所述检测导线平行于所述四个磁传感单元所在平面，所述检测导线距所述各磁传感单元的距离相等；然后由各磁传感单元探测检测导线信号；与此同时，外磁干扰在各磁传感单元的输出经差分放大单元后被抑制。本发明还涉及使用该抗外磁干扰方法的磁传感芯片。本发明的有益效果在于：通过集成在芯片内的四个磁传感单元间的差分结构，较传统的电磁屏蔽方法，改善了传感器抗电磁干扰的效果，减小了传感器的尺寸。

Description

抗外磁干扰的方法及使用该方法的磁传感芯片
技术领域
本发明涉及一种抗外磁干扰的方法及使用该方法的磁传感芯片。
背景技术
电磁传感器有着广泛的应用，但传感器应用的环境中往往存在着不可避免的电磁干扰，如周围存在的导线或使用通信设备产生的各种干扰电磁场，严重影响磁电传感器的测量精度。目前公知的抗电磁干扰的方法为电磁屏蔽，即用金属屏蔽外壳将传感器与干扰电磁场隔离开来，实现抗电磁干扰。但电磁屏蔽不可避免有电磁泄露，从而影响屏蔽效果，且由于金属屏蔽体的存在，使整个系统的体积庞大，不便于使用。尤其是在传感芯片领域中，对于体积极小的感应芯片的金属屏蔽更加难以准确实现。
发明内容
本发明针对现有通过电磁屏蔽方式实现传感器抗干扰性能不佳和使用不便的缺点，提出一种抗外磁干扰的方法及使用该方法的磁传感芯片，其通过多个磁传感单元的差分结构实现抗电磁干扰。
本发明提出的抗外磁干扰的方法，包括：设置磁传感芯片内部由四个磁传感单元及一根检测导线组成，其中，所述四个磁传感单元呈长方形阵列排列，所述检测导线平行于所述四个磁传感单元所在平面，所述检测导线距所述各磁传感单元的距离相等；然后由各磁传感单元探测检测导线信号；与此同时，第一磁传感单元与第三磁传感单元、第二磁传感单元与第四磁传感单元、第一磁传感单元与第四磁传感单元、第二磁传感单元及第三磁传感单元检测到外磁干扰的输出，并分别作为差分放大单元的共模输入，经差分放大单元后被抑制。
本发明还包括使用所述抗外磁干扰方法的磁传感芯片，其中：所述芯片内部由四个磁传感单元及一根检测导线组成，所述四个磁传感单元呈长方形阵列排列，所述检测导线平行于所述四个磁传感单元所在平面或在该平面内，所述检测导线距所述各磁传感单元的距离相等，所述各磁传感单元的输出经差分放大单元后输出。
本发明所述抗外磁干扰方法的磁传感芯片，优选为所述检测导线在所述四个磁传感单元所在的平面内。
本发明所述抗外磁干扰方法的磁传感芯片，进一步优选为所述四个磁传感单元呈正方形阵列排列。
本发明的有益效果在于：通过集成在芯片内的四个磁传感单元间的差分结构，较传统的电磁屏蔽方法，改善了传感器抗电磁干扰的效果，减小了传感器的尺寸。
附图说明
    图1是本发明优选实施例的说明图；
图2是干扰电流的电流强度矢量分解示意图；
图3是电流强度矢量在yoz平面内的分解及其分量产生的干扰磁场的示意图；
图4是本发明优选实施例中磁传感单元的差分关系图；
符号说明：
1：芯片
2：检测导线
3：干扰导线
a: 第一磁传感单元
b: 第二磁传感单元
c: 第三磁传感单元
d: 第四磁传感单元
x、y、z：三维直角坐标系的坐标
i:干扰导线3产生的干扰电流的电流强度矢量
i yz、i y、i z：干扰导线3产生的干扰电流在yoz平面内，沿y轴方向和沿z轴方向上的电流强度矢量分量
41~47: 差分放大单元
Va、Vb、Vc、Vd：通过检测导线2的电流在各磁传感单元产生的输出电压信号
V41~V46：差分放大单元41~46的输出电压
Vout：差分放大单元47的输出电压。
具体实施方式
本实施例中的抗外磁干扰的磁传感芯片1通过其内部的各个磁传感单元的差分输出，实现抗外界干扰导线3通电时的电磁干扰，实现精确测量检测导线2采集的检测电流信号。
参见图2，各个磁传感单元及检测导线2位于yoz平面内，干扰导线3在芯片1外部，方向任意。
干扰导线3周围会产生干扰磁场，该磁场会对传感器的各个磁传感单元产生干扰。参见图2，对于上述位于yoz平面内的磁传感单元，只有干扰导线3的干扰电流的电流强度矢量i在yoz平面内的投影分量i yz产生的干扰磁场，才对yoz平面内的磁传感单元产生干扰。
参见图3，所述i yz对磁传感单元的干扰磁场又可分解为沿y轴方向和沿z轴方向。
干扰导线3的干扰电流沿z轴方向的电流强度矢量i z产生的干扰磁场对所述磁传感单元的干扰通过下列步骤去除：
参见图1和图3，由于检测导线2位于第一磁传感单元a和第二磁传感单元b位于传导检测电流导线的两侧，且距干扰导线3的距离相等，故该检测电流在第一磁传感单元a、第二磁传感单元b产生的磁场大小相等、方向相反（第一磁传感单元a、第二磁传感单元b检测到检测导线2传导的电流的输出信号分别为Va、Vb），易知Va、Vb大小相等，方向相反，即Va=-Vb=V1，其经过差分放大单元后，输出为2AdV1(Ad为差分放大单元的差模增益)。干扰电流在所述芯片1外部，其距离所述磁传感单元的距离至少在厘米量级，而所述磁传感单元集成在芯片1内部，其互相之间的间距为纳米量级。因此干扰电流的电流强度矢量的z轴分量i z在a,b处产生的干扰磁场大小近似相等，方向相同(第一磁传感单元a、第二磁传感单元b检测到干扰导线3传导的电流的输出信号分别为Va’、Vb’)，即Va’=Vb’=V2，这两个信号经差分放大单元后，输入近似为0。因此a,b经差分放大单元后的输出可以体现待检测电流的大小，并去除了干扰导线3的干扰电流沿z轴方向的电流强度矢量i z的影响。
同理，第三磁传感单元c、第四磁传感单元d 经差分放大单元输出后，可以去除干扰导线3的干扰电流沿z轴方向的电流强度矢量i z 的干扰。
干扰导线3的干扰电流沿y轴方向的电流强度矢量i y产生的干扰磁场对所述磁传感单元的干扰通过下列步骤去除：
参见图1和图3，由于第一磁传感单元a、第四次传感单元d位于传导检测电流导线的两侧，且距干扰导线3的距离相等，故检测电流在第一磁传感单元a、第四磁传感单元d上产生的磁场大小相等，方向相反(第一磁传感单元a、第三磁传感单元d检测到检测导线2传导的电流的输出信号分别为Va、Vd)，故Va=-Vd=V1。其经过差分放大单元后，输出为2AdV1(Ad为差分放大单元的差模增益)。而i y在第一磁传感单元a、第四磁传感单元d处产生的干扰磁场大小近似相等，方向相同(第一磁传感单元a、第四磁传感单元d检测到干扰导线3传导的电流的输出信号分别为Va’’、Vd’’)，即Va’’’=Vd’’=V3，这两个信号经差分放大单元后，输出近似为0。因此第一磁传感单元a、第四磁传感单元d经差分放大单元后的输出可以体现待检测电流的大小，并去除了干扰导线3的干扰电流沿y轴方向的电流强度矢量i y 的影响。
同理，第二磁传感单元b第三磁传感单元d 经差分放大单元输出后，可以去除干扰导线3的干扰电流沿z轴的电流强度矢量i z 的干扰。
参见图4，具体说明所述各磁传感单元的输出电压的差分方式。如上所述，Va=Vb=-Vc=-Vd=V1，Va’=Vb’=Vc’=Vd’=V2，Va’’=Vb’’=Vc’’=Vd’’=V3，且差分放大单元41~47的差模增益均为Ad。
检测导线2的电流在第一磁传感单元a的输出电压Va、第二磁传感单元b的输出电压Vb经差分放大单元41后，输出V41=2AdV1，而干扰导线3的干扰电流沿z方向的电流强度矢量对第一磁传感单元a的干扰信号Va’、第二磁传感单元b的干扰信号Vb’为共模输入，经差分放大器41后，输出0。故经差分放大器41后，干扰导线3的干扰电流对第一磁传感单元a、第二磁传感单元b的干扰信号得以消除。
同理，经过差分放大单元42，干扰导线3的干扰电流对第三磁传感单元c、第四磁传感单元d的干扰信号得以消除，差分放大单元42的输出经一反相单元，为V42=-2AdV1。
差分放大单元41的输出V41与差分放大单元42的输出V42又作为差分放大单元45的差模输入，故差分放大单元45的输出电压V45=4Ad 2V1。
检测导线2的电流在第一磁传感单元a的输出电压Va、第四磁传感单元d的输出电压Vd经差分放大器43后，输出为V43=2Ad 2V1，干扰导线3的干扰电流沿y方向的电流强度矢量对第一磁传感单元a的干扰信号Va’’、第四磁传感单元d的干扰信号Vd’’为共模输入，经差分放大器43后，输出为0。故经差分放大器43后，干扰导线3的干扰电流对第一磁传感单元a、第四磁传感单元d的干扰信号得以消除。
同理，经差分放大器44，干扰导线3的干扰电流对第二磁传感单元b、第三磁传感单元c的干扰信号得以消除，差分放大单元44的输出经一反相单元，为V44=-2AdV1。
差分放大器43的输出V43与差分放大单元44的输出V44又作为差分放大单元46的差模输入，故差分放大单元46的输出电压经一反相单元后，为V46=-4Ad 2V1。
最后，差分放大单元45的输出V45与差分放大单元的输出V46作为差分放大单元的差模输入，使差分放大单元47的输出Vout=8Ad 3V1。这样，差分放大器47的输出完全消除了干扰导线3的干扰电流对各磁传感单元的干扰。
本发明保护范围不限于上述实施例，本领域普通技术人员据其了解的本领域现有技术及掌握的本领域基本实验手段，根据本发明公开的内容作出的不同实施例均应视为在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种抗外磁干扰的方法，其特征在于：
设置磁传感芯片内部由四个磁传感单元及一根检测导线组成，其中，所述四个磁传感单元呈长方形阵列排列，所述检测导线平行于所述四个磁传感单元所在平面，所述检测导线距所述各磁传感单元的距离相等；
然后由各磁传感单元探测检测导线信号；
与此同时，第一磁传感单元与第三磁传感单元、第二磁传感单元与第四磁传感单元、第一磁传感单元与第四磁传感单元、第二磁传感单元及第三磁传感单元检测到外磁干扰的输出，并分别作为差分放大单元的共模输入，经差分放大单元后被抑制。
2.使用权利要求1所述的抗外磁干扰方法的磁传感芯片，其特征在于：包含四个磁传感单元及一根检测导线；其中，所述四个磁传感单元呈长方形阵列排列，所述检测导线平行于所述四个磁传感单元所在平面，所述检测导线距所述各磁传感单元的距离相等，所述各磁传感单元的输出经差分放大单元后输出。
3.如权利要求2所述的磁传感芯片，其特征在于：所述检测导线在所述四个磁传感单元所在的平面内。
4.如权利要求3所述的磁传感芯片，其特征在于：所述四个磁传感单元呈正方形阵列排列。
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