CN109556647A - 一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置及方法，包括敏感结构，所述敏感结构包括依次设置在同一水平线上的微型线圈、隧道磁阻效应传感器和软磁磁导，所述微型线圈的轴向垂直于水平线设置，所述微型线圈和隧道磁阻效应传感器间隔预设距离，所述隧道磁阻效应传感器的敏感方向垂直于所述微型线圈的轴向；振荡电路，所述振荡电路与所述微型线圈连接以驱动微型线圈产生周期性交变磁场；低噪声电路，所述低噪声电路与隧道磁阻效应传感器连接并对隧道磁阻效应传感器的输出信号进行处理。其能够抑制低频噪声，提高了信噪比和检测灵敏度，性能稳定，成本低廉。

Description

一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道磁阻效应传感器技术领域，具体涉及一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置及方法。

背景技术

隧道磁阻效应传感器是一种将感应到的磁场强度变化转变为电信号变化的传感器，作为测量装置，隧道磁阻效应传感器具有磁场灵敏度高、功耗低、温度稳定性好、体积小等诸多优势，在现代工业和电子产品中用于弱磁场检测以及测量电流、位置、方向等物理参数。

虽然隧道磁阻效应传感器检测磁场的灵敏度很高，但是它的输出噪声严重影响了分辨率，特别是低频段处的1/f噪声。由于1/f噪声的大小与传感器工作频率相反，在频率较低时，1/f噪声很高，这一特性使得隧道磁阻效应传感器对静磁场(或低频磁场)的检测精度相比于高频处的检测精度要差两个数量级，严重限制了它对静态或低频磁场的探测能力，而且该1/f噪声取决于内部磁结构，会随着偏置电压改变而改变，所以无法通过传感器偏置调制进行消除，因此，低频段的噪声严重影响传感器的检测性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置及方法，其能够抑制低频噪声，提高了信噪比和检测灵敏度，性能稳定，成本低廉。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，包括：

敏感结构，所述敏感结构包括依次设置在同一水平线上的微型线圈、隧道磁阻效应传感器和软磁磁导，所述微型线圈的轴向垂直于水平线设置，所述微型线圈和隧道磁阻效应传感器间隔预设距离，所述隧道磁阻效应传感器的敏感方向垂直于所述微型线圈的轴向；

振荡电路，所述振荡电路与所述微型线圈连接以驱动微型线圈产生周期性交变磁场；

低噪声电路，所述低噪声电路与隧道磁阻效应传感器连接并对隧道磁阻效应传感器的输出信号进行处理。

作为优选的，所述隧道磁阻效应传感器为推挽式全桥结构，所述隧道磁阻效应传感器包括恒电压源和四个桥臂；所述四个桥臂包括依次连接的第一磁性隧道结、第二磁性隧道结、第三磁性隧道结和第四磁性隧道结；所述第一磁性隧道结和第四磁性隧道结敏感方向相差180°；所述第二磁性隧道结和第三磁性隧道结敏感方向相差180°；所述第一磁性隧道结和第二磁性隧道结间设置有第一连接点，所述第三磁性隧道结与第四磁性隧道结间设置有第二连接点，所述第一连接点和第二连接点间设置有恒电压源；所述第一磁性隧道结与第四磁性隧道结间设置有第一输出端，所述第二磁性隧道结和第三磁性隧道结间设置有第二输出端。

作为优选的，所述低噪声电路包括差分放大电路、解调电路和低通滤波电路；所述差分放大电路的输入端分别与第一输出端和第二输出端连接；所述解调电路的输入端与差分放大电路的输出端连接，所述解调电路的参考信号端与振荡电路连接；所述低通滤波电路与解调电路的输出端连接。

作为优选的，所述第一输出端与差分放大电路间依次设置有第一跟随器、第一调零电路和第二跟随器；所述第二输出端与差分放大电路间依次设置有第三跟随器、第二调零电路和第四跟随器。

作为优选的，所述微型线圈包括磁芯和环绕磁芯设置的多匝线圈，所述磁芯为工字型磁芯，且所述磁芯由高磁导率软磁材料制成。

作为优选的，所述软磁磁导为矩形。

作为优选的，所述软磁磁导由高磁导率的软磁材料制成。

本发明还公开了一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、将微型线圈、隧道磁阻效应传感器和矩形软磁磁导设置在同一水平线上；所述微型线圈和隧道磁阻效应传感器间隔预设距离；所述隧道磁阻效应传感器的敏感方向垂直于所述微型线圈的轴向；

步骤二、当所述隧道磁阻效应传感器检测外部磁场信号时，振荡电路对微型线圈施加调制电流；

步骤三、所述微型线圈在调制电流的作用下产生周期性交变磁场；所述矩形软磁磁导被磁化并汇聚交变磁场的磁力线，提高所述隧道磁阻效应传感器敏感方向上的磁场分量；所述微型线圈和软磁磁导将所述隧道磁阻效应传感器的敏感磁场从低频调制到高频处；

步骤四、低噪声电路对所述隧道磁阻效应传感器的输出电压进行信号处理。

作为优选的，所述低噪声电路包括差分放大电路、解调电路和低通滤波电路；所述步骤四具体包括：

所述差分放大电路抑制所述隧道磁阻效应传感器的输出电压的共模噪声；

所述解调电路以振荡电路的信号作为参考信号，对所述差分放大电路进行解调，输出解调后的信号；

所述低通滤波电路对所述解调后的信号进行滤波处理以达到抑制1/f噪声的目的。

与现有技术相比，本发明中隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其有益效果如下：

1、本发明中在隧道磁阻效应传感器的一侧设置有微型线圈，所述隧道磁阻效应传感器的敏感方向垂直于所述微型线圈的轴向，微型线圈在振荡电路的驱动下，将待测的静磁场或低频磁场调制成高频磁场，这样隧道磁阻效应传感器感应到的待测磁信号从较高的低频噪声处调制到了热噪声水平的高频段，从而消除了低频1/f噪声的影响，能够将隧道磁阻效应传感器检测静磁场或低频磁场的精度提高约两个数量级。

2、本发明中还设置有软磁磁导，可汇聚空间磁力线，软磁磁导可以大大增强传感器敏感方向上的磁场分量，进一步提高了传感器的信噪比。

3、本发明结构紧凑，调制效率高，价格便宜，稳定性好，成本消耗低。

与现有技术相比，本发明中隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制方法，其有益效果如下：

1、本发明通过将待测的静磁场或低频磁场调制成高频磁场，这样隧道磁阻效应传感器感应到的待测磁信号从较高的低频噪声处调制到了热噪声水平的高频段，从而消除了低频1/f噪声的影响。

2、本发明中还设置有软磁磁导，可汇聚空间磁力线，增强传感器敏感方向上的磁场分量，提高了传感器的信噪比。

3、本发明通过振荡电路来控制微型线圈的工作，进而产生周期性的交变磁场，操作简单，方便调节。

4、本发明方法简单，性能稳定。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明中磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置抑制1/f噪声的效果曲线图；

图2为本发明中隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置的结构示意图；

图3为本发明中敏感结构的示意图；

图4为本发明中隧道磁阻效应传感器的结构示意图。

图中标号说明：1、敏感结构；2、微型线圈；3、隧道磁阻效应传感器；4、软磁磁导；5、第一跟随器；6、第三跟随器；7、第一调零电路；8、第二调零电路；9、第二跟随器；10、第四跟随器；11、差分放大电路；12、解调电路；13、低通滤波器；14、振荡电路；15、恒电压源；16、第一磁性隧道结；17、第二磁性隧道结；18、第四磁性隧道结；19、第三磁性隧道结；20、第一输出端；21、第二输出端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

为了提高隧道磁阻效应传感器在低频段的分辨率，本发明中将待测的静磁场(或低频磁场)调制成高频磁场，这样隧道磁阻效应传感器感应到的待测磁信号从较高的低频噪声处调制到了热噪声水平的高频段，从而消除了低频1/f噪声的影响。

参照图1-图4所示，本发明公开了一种磁聚集隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置和方法。

本发明公开了一种磁聚集隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，包括敏感结构1、振荡电路14和低噪声电路。

敏感结构1包括依次设置在同一水平线上的微型线圈2、隧道磁阻效应传感器3和软磁磁导4，微型线圈2的轴向垂直于水平线设置，微型线圈2和隧道磁阻效应传感器3间隔预设距离，隧道磁阻效应传感器3的敏感方向垂直于微型线圈2的轴向。振荡电路14与微型线圈2连接以驱动微型线圈2产生周期性交变磁场。低噪声电路与隧道磁阻效应传感器3连接并对隧道磁阻效应传感器3的输出信号进行处理。

在隧道磁阻效应传感器3检测外部磁场信号时，施加调制电流的微型线圈2会产生周期性交变磁场，将传感器的敏感静磁信号调制到热噪声水平的高频处，达到消除1/f噪声的目的，可将检测精度提高两个数量级。从图1中可以看出，通过本装置可用于抑制1/f噪声影响。

而由于微型线圈2受尺寸限制，导致其产生的磁场强度较弱，本发明中设置有软磁磁导4，软磁磁导4可以大大增强传感器敏感方向上的磁场分量，进一步提高了传感器的信噪比。而软磁磁导4可选用矩形的软磁磁导4。软磁磁导4由高磁导率的软磁材料制成。

在本实施例中，软磁磁导4的对传感器的增幅效果一方面受磁导尺寸影响，另一方面受传感器和磁导之间的间距影响。矩形软磁磁导4尺寸有一个优化的最小尺寸，即保证磁导正对传感器的矩形面宽度和高度均不低于传感器宽度和高度的1.4倍，沿水平方向的厚度不少于500μm。符合上述条件这样的优化尺寸能够最大化增强隧道磁阻效应传感器3所在位置的敏感磁场分量，而隧道磁阻效应传感器3和矩形软磁磁导4之间的间距这个因素对增幅效果的改变十分显著，增幅效果会随着间距增大而快速下降。在饱和磁场小的隧道磁阻效应传感器3应用中，可通过调节矩形软磁磁导4与隧道磁阻效应传感器3的间距可以改变磁场分量的放大倍数，避免隧道磁阻效应传感器3工作在非线性区。

本发明中微型线圈2包括磁芯和环绕磁芯设置的多匝线圈，磁芯为工字型磁芯，且磁芯由高磁导率软磁材料制成。工字型结构不仅有助于固定线圈，而且在尺寸受限的微型线圈2导线匝数有限的情况下，相比于传统的圆柱型磁芯线圈，工字型结构的磁芯线圈可以产生更强的空间磁场，更进一步地，在保证工字型磁芯上下两个圆柱体为最小厚度下，再增厚这两个圆柱体，对微型线圈2产生的空间线性磁场分量没有影响，通过这种方式，可以实现不改变调制磁场的同时调控微型线圈2的质量，这一性质在优化惯性器件灵敏度的应用中十分有利。

而隧道磁阻效应传感器3为推挽式全桥结构，隧道磁阻效应传感器3包括恒电压源15和四个桥臂。四个桥臂包括依次连接的第一磁性隧道结16、第二磁性隧道结17、第三磁性隧道结19和第四磁性隧道结18。第一磁性隧道结16和第四磁性隧道结18敏感方向相差180°。第二磁性隧道结17和第三磁性隧道结19敏感方向相差180°。第一磁性隧道结16和第二磁性隧道结17间设置有第一连接点，第三磁性隧道结19与第四磁性隧道结18间设置有第二连接点，第一连接点和第二连接点间设置有恒电压源15。第一磁性隧道结16与第四磁性隧道结18间设置有第一输出端20，第二磁性隧道结17和第三磁性隧道结19间设置有第二输出端21。作为测量元件的隧道磁阻效应传感器3，是一个推挽全桥结构，四个桥臂由磁性隧道结构成，每个半桥中的两个磁性隧道结敏感方向相差180°，在同一外磁场的作用下，其中一个磁性隧道结磁电阻增加的同时另一个的磁电阻会降低，施加相反方向的磁场会使其中一个的磁电阻降低另一个的磁电阻会增加，即两个磁性隧道结的磁电阻在同一外磁场中有相反的响应，这样的结构提高了传感器的灵敏度。

当隧道磁阻效应传感器3处于水平向右的磁场环境中时，第一磁性隧道结16和第三磁性隧道结19的磁电阻降低，第二磁性隧道结17和第四磁性隧道结18的磁电阻增加；施加相反方向的磁场会使第二磁性隧道结17和第四磁性隧道结18的磁电阻降低，第一磁性隧道结16和第三磁性隧道结19的磁电阻增加。

低噪声电路包括差分放大电路11、解调电路12和低通滤波电路。差分放大电路11的输入端分别与第一输出端20和第二输出端21连接。解调电路12的输入端与差分放大电路11的输出端连接，解调电路12的参考信号端与振荡电路14连接。低通滤波电路与解调电路12的输出端连接。

在第一输出端20与差分放大电路11间依次设置有第一跟随器5、第一调零电路7和第二跟随器9。在第二输出端21与差分放大电路11间依次设置有第三跟随器6、第二调零电路8和第四跟随器10。

基于同一发明构思，本发明还公开了一种磁聚集隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、将微型线圈2、隧道磁阻效应传感器3和矩形软磁磁导4设置在同一水平线上；微型线圈2和隧道磁阻效应传感器3间隔预设距离；隧道磁阻效应传感器3的敏感方向垂直于微型线圈2的轴向；

步骤二、当隧道磁阻效应传感器3检测外部磁场信号时，振荡电路14对微型线圈2施加调制电流；

步骤三、微型线圈2在调制电流的作用下产生周期性交变磁场；矩形软磁磁导4被磁化并汇聚交变磁场的磁力线，提高隧道磁阻效应传感器3敏感方向上的磁场分量；微型线圈2和软磁磁导4将隧道磁阻效应传感器3的敏感磁场从低频调制到高频处；

步骤四、低噪声电路对隧道磁阻效应传感器3的输出电压进行信号处理。

其中，低噪声电路包括差分放大电路11、解调电路12和低通滤波电路。步骤四具体包括：

S41、差分放大电路11抑制隧道磁阻效应传感器3的输出电压的共模噪声；

S42、解调电路12以振荡电路14的信号作为参考信号，对差分放大电路11进行解调，输出解调后的信号；

S43、低通滤波电路对解调后的信号进行滤波处理以达到抑制1/f噪声的目的。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，包括：

敏感结构，所述敏感结构包括依次设置在同一水平线上的微型线圈、隧道磁阻效应传感器和软磁磁导，所述微型线圈的轴向垂直于水平线设置，所述微型线圈和隧道磁阻效应传感器间隔预设距离，所述隧道磁阻效应传感器的敏感方向垂直于所述微型线圈的轴向；

振荡电路，所述振荡电路与所述微型线圈连接以驱动微型线圈产生周期性交变磁场；

低噪声电路，所述低噪声电路与隧道磁阻效应传感器连接并对隧道磁阻效应传感器的输出信号进行处理。

2.如权利要求1所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，所述隧道磁阻效应传感器为推挽式全桥结构，所述隧道磁阻效应传感器包括恒电压源和四个桥臂；

所述四个桥臂包括依次连接的第一磁性隧道结、第二磁性隧道结、第三磁性隧道结和第四磁性隧道结；

所述第一磁性隧道结和第四磁性隧道结敏感方向相差180°；

所述第二磁性隧道结和第三磁性隧道结敏感方向相差180°；

所述第一磁性隧道结和第二磁性隧道结间设置有第一连接点，所述第三磁性隧道结与第四磁性隧道结间设置有第二连接点，所述第一连接点和第二连接点间设置有恒电压源；

所述第一磁性隧道结与第四磁性隧道结间设置有第一输出端，所述第二磁性隧道结和第三磁性隧道结间设置有第二输出端。

3.如权利要求2所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，所述低噪声电路包括差分放大电路、解调电路和低通滤波电路；

所述差分放大电路的输入端分别与第一输出端和第二输出端连接；

所述解调电路的输入端与差分放大电路的输出端连接，所述解调电路的参考信号端与振荡电路连接；

所述低通滤波电路与解调电路的输出端连接。

4.如权利要求3所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，所述第一输出端与差分放大电路间依次设置有第一跟随器、第一调零电路和第二跟随器；所述第二输出端与差分放大电路间依次设置有第三跟随器、第二调零电路和第四跟随器。

5.如权利要求1所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，所述微型线圈包括磁芯和环绕磁芯设置的多匝线圈，所述磁芯为工字型磁芯，且所述磁芯由高磁导率软磁材料制成。

6.如权利要求1所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，所述软磁磁导为矩形。

7.如权利要求1所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制装置，其特征在于，所述软磁磁导由高磁导率的软磁材料制成。

8.一种隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将微型线圈、隧道磁阻效应传感器和矩形软磁磁导设置在同一水平线上；所述微型线圈和隧道磁阻效应传感器间隔预设距离；所述隧道磁阻效应传感器的敏感方向垂直于所述微型线圈的轴向；

步骤二、当所述隧道磁阻效应传感器检测外部磁场信号时，振荡电路对微型线圈施加调制电流；

步骤三、所述微型线圈在调制电流的作用下产生周期性交变磁场；所述矩形软磁磁导被磁化并汇聚交变磁场的磁力线，提高所述隧道磁阻效应传感器敏感方向上的磁场分量；所述微型线圈和软磁磁导将所述隧道磁阻效应传感器的敏感磁场从低频调制到高频处；

步骤四、低噪声电路对所述隧道磁阻效应传感器的输出电压进行信号处理。

9.如权利要求8所述的隧道磁阻效应传感器的低频噪声抑制方法，其特征在于，所述低噪声电路包括差分放大电路、解调电路和低通滤波电路；所述步骤四具体包括：

所述差分放大电路抑制所述隧道磁阻效应传感器的输出电压的共模噪声；

所述解调电路以振荡电路的信号作为参考信号，对所述差分放大电路进行解调，输出解调后的信号；

所述低通滤波电路对所述解调后的信号进行滤波处理以达到抑制1/f噪声的目的。