一種用于信號(hào)處理的磁阻型電流傳感器

一種用于信號(hào)處理的磁阻型電流傳感器

1選擇優(yōu)良的電流傳感器利用銻化作為磁阻源（mri）制成的電流傳感器（mrc）。它不僅具有霍夫電流傳感器的良好特性，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低廉、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。為了檢測(cè)弱電流,設(shè)計(jì)了電流傳感器,它是用同時(shí)改變兩個(gè)InSb-In磁阻元件阻值的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的的,它取消了大容量的耦合電容,可縮小體積和改善頻率特性。2磁阻效應(yīng)的影響磁阻效應(yīng)是指材料電阻隨外加磁場(chǎng)的大小而變化。半導(dǎo)體磁敏材料受到與電流方向相垂直方向的磁場(chǎng)作用時(shí),由于洛侖茲力的作用,載流子流動(dòng)的方向發(fā)生改變,使路徑加長(zhǎng),從而阻值增大了。磁阻效應(yīng)分為物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)。就物理磁阻效應(yīng)而言,對(duì)于兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊的半導(dǎo)體材料,其中遷移率較大的一種載流子引起的電阻變化可表示為(ρB?ρ0)/ρ0=Δρ/ρ0=0.275μ2B2(ρB-ρ0)/ρ0=Δρ/ρ0=0.275μ2B2式中:ρ和ρ0分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B和0時(shí)的電阻率;μ為該種載流子的遷移率。此外,對(duì)于主體材料一定的半導(dǎo)體磁敏電阻,它們的形狀會(huì)對(duì)磁阻效應(yīng)有很大的影響,這稱為幾何磁阻效應(yīng)。3u3000磁阻元件的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)這種MRCS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由導(dǎo)線、絕緣基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永磁體和5個(gè)引腳組成,另外加上起屏蔽和保護(hù)作用的金屬外殼。其中的MR1和MR2是相對(duì)放置的一對(duì)磁阻元件,其阻值大致相等,永磁體給這對(duì)磁阻元件提供偏置磁場(chǎng)Bb,待測(cè)電流流經(jīng)的導(dǎo)線置于MR1和MR2對(duì)稱軸的位置。電路如圖2所示。MR1和MR2由恒流源供電,電流為I0。當(dāng)待測(cè)交變電流流過(guò)4、5端子時(shí),導(dǎo)線周圍產(chǎn)生空間磁場(chǎng),其磁感應(yīng)強(qiáng)度為ΔB.這個(gè)空間磁場(chǎng)分別穿過(guò)MR1、MR2時(shí),在某個(gè)瞬間方向相反,所以這個(gè)磁場(chǎng)與MRCS內(nèi)部永磁體的偏置磁場(chǎng)Bb相重疊而產(chǎn)生的效果是使MR1和MR2的阻值一個(gè)增大,一個(gè)減小。這兩個(gè)磁阻元件阻值的改變引起圖中Ua、Ub電位的改變,把Ua、Ub端的信號(hào)分別經(jīng)電壓跟隨電路輸入差動(dòng)比例運(yùn)放電路進(jìn)行放大,就可以得到輸出信號(hào)Uo.4磁阻特性分析已知固定偏磁為Bb.電路處于動(dòng)態(tài)時(shí),根據(jù)以上分析,得知:MR2中磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2=(Bb+ΔB)(1)此時(shí)磁阻為RB2。MR1中磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1=(Bb-ΔB)(2)此時(shí)磁阻為RB1。InSb-In共晶體薄膜材料的磁阻特性規(guī)律是遵從單晶體型材料的磁阻特性規(guī)律的,可用下式表示RB/R0=1+αB+βB2(3)RB/R0=1+αB+βB2(3)式中:RB為磁場(chǎng)中磁阻元件的電阻值;R0為磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的阻值;α和β為與InSb磁阻元件的靈敏度有關(guān)的系數(shù)。此傳感器中,磁阻元件在固定偏磁Bb時(shí)的磁阻為RB0.結(jié)合差動(dòng)比例運(yùn)放公式Uo=(Ua/Ra?Ub/Rb)RF(4)Uo=(Ua/Ra-Ub/Rb)RF(4)經(jīng)計(jì)算,得:Uo=[2RB0+2βΔB2R0Ra?RB0+βΔB2R0Rb+αΔBR0+2βR0BbΔBRb]RFI0Uo=[2RB0+2βΔB2R0Ra-RB0+βΔB2R0Rb+αΔBR0+2βR0BbΔBRb]RFΙ0根據(jù)必須滿足的電路平衡條件,則有:Uo=(α+2βBb)nI0R0ΔB(5)Uo=(α+2βBb)nΙ0R0ΔB(5)式中n為適當(dāng)選擇的參數(shù)。顯然,Uo是ΔB的線性函數(shù)。5輸出電壓結(jié)果分析使待測(cè)信號(hào)的頻率f等于50Hz不變,待測(cè)電流i由10mA增大到100mA,觀察到輸出電壓由50mV呈線性增大到350mV,結(jié)果如圖3所示。使待測(cè)信號(hào)電流為60mA不變,頻率由1Hz增大到20000Hz,觀察到頻率為70～500Hz時(shí),輸出電壓達(dá)到最大,為208mV;頻率為1～70Hz時(shí),輸出電壓逐步增大;頻率為500～15000Hz時(shí),輸出電壓緩慢下降;大于15000Hz時(shí),輸出電壓變化趨于平緩。得到圖4結(jié)果。其通頻帶為7～1800Hz,在這一頻率范圍內(nèi),輸出特性滿足實(shí)際檢測(cè)要求。按照直線通以交變電流時(shí)其周圍空間磁場(chǎng)與電流的關(guān)系,經(jīng)計(jì)算,得:Uo=(α+2βBb)nI0R0Kisin(2πft+φ0)(6)Uo=(α+2βBb)nΙ0R0Κisin(2πft+φ0)(6)式中系數(shù)K為常量,由電路中元件參數(shù)決定。由式(6)可判斷:Uo與i是成正比的。當(dāng)f不變時(shí),Uo隨著i的增大而線性增大,所以出現(xiàn)圖3所示的結(jié)果。i不變時(shí),分別求Uo對(duì)f的一階、二階導(dǎo)數(shù),可知隨著f的增大,Uo會(huì)有極大值出現(xiàn),所以會(huì)有圖4所示的結(jié)果。在保持電路靜態(tài)工作時(shí),使外界溫度由-25℃逐步升溫至55℃,可觀察到樣品A、樣品B、樣品C和樣品D的輸出電壓變化范圍都不是很大,4條曲線都略呈上升趨勢(shì)。如圖5所示。由于溫度的變化,使兩個(gè)InSb的磁阻都會(huì)有ΔRT的變化量,此時(shí)經(jīng)推導(dǎo),得:Uo=[2(RB0+ΔRT)Ra?RB0+ΔRTRb]I0RFUo=[2(RB0+ΔRΤ)Ra-RB0+ΔRΤRb]Ι0RF顯然有Uo=0.這表明此種設(shè)計(jì)在理論上對(duì)溫漂有良好的抑制作用。在圖5中,4條曲線分別是由4個(gè)相同電路制作的樣品A,B,C,D所測(cè)得的結(jié)果,它們的靜態(tài)工作點(diǎn)不同,這與同種參數(shù)的元件之間存在實(shí)際上的差別有關(guān)。溫度從-25℃上升到55℃時(shí),輸出電壓的變化幅度為0.14～0.21V,變化率范圍為0.0294%～0.0491%/℃.這與電路中元件的制造工藝及隨溫度變化的性能有關(guān)。6輸入信號(hào)的差模處理通過(guò)改變待測(cè)信號(hào)的電流強(qiáng)度或頻率,使得InSb磁阻所在處的磁場(chǎng)發(fā)生改變,從而產(chǎn)生磁阻阻值變化,引起輸