基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)和信號采集電路，包括磁芯激勵(lì)部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分。采用“對稱差分采樣”電路結(jié)構(gòu)，消除了由模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管帶來的“電荷注入效應(yīng)”；通過在金屬接收線圈中施加一個(gè)電流對磁芯進(jìn)行重置，從而消除了磁芯的磁滯效應(yīng)；采用偶數(shù)條串聯(lián)磁芯和對稱纏繞方式的金屬接收線圈結(jié)構(gòu)，消除了磁芯和接收線圈間的感性耦合效應(yīng)、降低了激勵(lì)電流在金屬接收線圈上形成的容性耦合效應(yīng)，從而提高了傳感器輸出信號的信噪比和線性度；將每一條磁芯切分為若干段等長的小段，能方便控制傳感器的磁場檢測范圍和磁場靈敏度。
【專利說明】基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于磁場傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種基于非晶態(tài)合金材料的高靈敏度磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)和信號采集電路。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)普遍使用單條(或多條并聯(lián))高導(dǎo)磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶作為磁芯，外繞有一個(gè)接收線圈或接收線圈+反饋補(bǔ)償線圈的結(jié)構(gòu)。通過在磁芯上流過一個(gè)高頻交變電流或高頻脈沖電流作為激勵(lì)，并檢測此時(shí)接收線圈上的電壓信號來感測磁芯長度方向上的外加磁場，接收線圈上的電壓信號大小與外加磁場的大小相對應(yīng)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)存在以下不足:
[0004]1.在磁芯上流過一個(gè)激勵(lì)電流時(shí)，該電流會(huì)在磁芯周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)繞電流流動(dòng)方向的磁場，由于接收線圈和該磁場的磁感線不能做到完全平行，兩者間存在一個(gè)很小的夾角，在激勵(lì)電流接通或斷開的瞬間，由激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場變化會(huì)在接收線圈上產(chǎn)生感性耦合，從而在接收線圈上形成一個(gè)感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓會(huì)疊加到最終的輸出信號中，造成輸出信號失真，并降低輸出信號的信噪比。
[0005]2.在現(xiàn)有技術(shù)所采用的結(jié)構(gòu)下，由于接收線圈和磁芯之間存在寄生電容，在磁芯上流過一個(gè)激勵(lì)電流時(shí)，磁芯與接收線圈間會(huì)產(chǎn)生容性耦合，從而在接收線圈上形成一個(gè)耦合電壓，該電壓會(huì)疊加到最終的輸出信號中，降低輸出信號的信噪比甚至造成放大器輸出的飽和。
[0006]3.由于非晶絲、非晶薄膜或非晶帶磁芯自身的多磁疇結(jié)構(gòu)特性，利用現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)的磁場傳感器均具有磁滯效應(yīng)，即磁芯被外部磁場磁化后，傳感器輸出會(huì)發(fā)生偏移的現(xiàn)象。
[0007]4.現(xiàn)有技術(shù)采用的峰值電壓采樣電路使用模擬開關(guān)(或場效應(yīng)晶體管)對接收線圈上的電壓信號進(jìn)行采樣，由于模擬開關(guān)(或場效應(yīng)晶體管)存在“電荷注入效應(yīng)(ChargeInject1n Effect) ”，即:隨著模擬開關(guān)(或場效應(yīng)晶體管)的打開或關(guān)斷，少量電荷會(huì)從控制端通過電容耦合至采樣信號中，并且電荷注的入量會(huì)隨接收線圈上的電壓信號大小而變化，這使得采樣后的電壓信號產(chǎn)生失真從而影響到傳感器輸出的線性度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種基于非晶態(tài)合金材料的高靈敏度磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，以提高傳感器輸出信號的信噪比和線性度，消除磁滯效應(yīng)。
[0009]技術(shù)方案:基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，包括磁芯激勵(lì)部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分，如圖10，
[0010]所述電源部分的VCC為直流電源，其電壓范圍為+1.8V?+12V ；
[0011]所述磁芯激勵(lì)部分由第一電阻R1，第一電容Cl，第二開關(guān)SW2和第四電阻R4組成，第四電阻R4的一端連接磁場傳感器El的磁芯的上輸入端子a，磁芯的下輸入端子b接地；直流電源通過限流的第一電阻Rl對第一電容Cl進(jìn)行充電，第一電阻Rl起到限流和隔離的作用，以減小第一電容Cl在充放電時(shí)對電源造成的壓降影響；第四電阻R4起到限制磁芯電流的作用，目的在于防止磁芯上的電流過大；通過控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P2的高低電平可實(shí)現(xiàn)第二開關(guān)SW2的通斷，從而控制磁芯的激勵(lì)電流的通斷；
[0012]所述磁芯重置部分由第二電阻R2，第二電容C2，第三電阻R3，二極管D1，第一開關(guān)SW1、第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4組成，第三開關(guān)SW3的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子c，第四開關(guān)SW4的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d ;
[0013]所述信號米樣和放大部分由第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6、第三電容C3和第四電容C4、第五電阻R5和第六電阻R6以及差分放大器或儀表放大器Al組成，所述第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6和第三電容C3、第四電容C4構(gòu)成對稱的采樣電路結(jié)構(gòu)，第五開關(guān)SW5的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子C，第六開關(guān)SW6的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d。
[0014]優(yōu)選的，電源部分采用VCC為+5V的直流電源；
[0015]所述磁場傳感器E1，包括絕緣基板1、高導(dǎo)磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯2、非磁性導(dǎo)電金屬3、結(jié)構(gòu)對稱的非磁性金屬接收線圈4，在絕緣基板I上放置或加工偶數(shù)條上下平行且首尾相連、相互串聯(lián)的磁芯2，每條磁芯2的左、右兩端分別連接一段非磁性導(dǎo)電金屬3 ;在串聯(lián)的磁芯2外部纏繞有一個(gè)或一組結(jié)構(gòu)對稱的非磁性金屬接收線圈4 ;磁芯的上輸入端子a、下輸入端子b分別連通傳感器最上部、最下部兩個(gè)磁芯2的某一端的非磁性導(dǎo)電金屬3并位于傳感器的一側(cè)，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d相互靠近并位于傳感器的另一側(cè)，如圖7或圖8所示；
[0016]所述磁芯2具有如圖1、圖2所示的短軸異向性磁疇結(jié)構(gòu)，磁芯的材料可為鈷(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度范圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑范圍為2um?lOOum，磁芯的長度范圍為0.05mm?20mm ;優(yōu)選的，本發(fā)明中采用的是直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯，其長度為0.8mm ；
[0017]所述金屬接收線圈4的線圈形式可以是微機(jī)電(MEMS)型線圈、普通繞線線圈、金屬薄膜型線圈等；
[0018]優(yōu)選的，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導(dǎo)電金屬3連通(如圖9所示)。
[0019]在磁芯2的長度方向上存在一個(gè)外加磁場時(shí)，磁疇結(jié)構(gòu)中的磁化方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖3、圖4所示，此時(shí)，在磁芯2上流過一個(gè)激勵(lì)電流，磁芯2中磁疇的磁化方向?qū)⒈恢匦卵囟梯S方向排列，如圖5、圖6所示，該種排列改變了磁芯2的導(dǎo)磁率μ，并在磁芯2的長軸方向上形成一個(gè)磁通量的變化Δ φ，該磁通量的變化被纏繞在磁芯2外部的接收線圈4感測到并轉(zhuǎn)化為一個(gè)電壓輸出信號，該電壓輸出信號在固定相位的波峰處(或波谷處)的幅值大小與磁芯2長度方向上外加磁場的大小相對應(yīng)，其極性與外加磁場的方向相對應(yīng)；
[0020]在磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b間施加一個(gè)激勵(lì)電流時(shí)，由于每條磁芯2首尾相連、相互串聯(lián)，所以相鄰上下兩條磁芯2的激勵(lì)電流方向相反，由激勵(lì)電流流過每條磁芯2所產(chǎn)生的磁場將相互抵消，不會(huì)在金屬接收線圈4上形成感性耦合，從而增加了輸出信號的信噪比，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的第“I”點(diǎn)不足；
[0021]采用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數(shù)條串聯(lián)磁芯的結(jié)構(gòu)，使得磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b可以相互靠近并位于傳感器的一側(cè)，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d可以相互靠近并位于傳感器的另一側(cè)，磁芯和接收線圈的兩對端子可以盡量遠(yuǎn)離。這種結(jié)構(gòu)使得激勵(lì)電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應(yīng)耦合到金屬接收線圈4上的影響降到最小，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的第“2”點(diǎn)不足；
[0022]優(yōu)選的，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導(dǎo)電金屬3連通，通過調(diào)整每段磁芯的長度控制其在長度方向上退磁因子的大小，從而達(dá)到控制傳感器的磁場檢測范圍和磁場靈敏度的目的；隨著每段磁芯長度的縮短，磁芯長度方向上的退磁因子隨之增大，磁場檢測檢測范圍變寬、磁場靈敏度變??；反之，磁場檢測范圍變窄、磁場靈敏度變大(如圖9所示);
[0023]在沿磁芯長度方向上施加一個(gè)恒定大小的外部磁場時(shí)，接收線圈的輸出信號幅值隨磁芯的條數(shù)增加而增大，本發(fā)明中采用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結(jié)構(gòu)(如圖8)。
[0024]所述基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用方法，包括:
[0025]I)采用“諧振預(yù)驅(qū)動(dòng)”對磁芯進(jìn)行激勵(lì)，具體方法為:
[0026]由于接收線圈和磁芯構(gòu)成了一個(gè)具有固定的諧振頻率f的電感，通過控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P2的高低電平切換頻率，使磁芯激勵(lì)電流的通斷頻率接近電感的諧振頻率f，當(dāng)兩者頻率相同時(shí)，在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間將得到一個(gè)最大幅值的輸出信號，在信號的峰值或谷值處進(jìn)行采樣后即可控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P2為低電平，停止對磁芯進(jìn)行激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的；
[0027]本實(shí)施例中采用的“諧振預(yù)驅(qū)動(dòng)”的諧振頻率為6MHz ;
[0028]如圖11所示，A為磁芯激勵(lì)電流的波形，B為金屬接收線圈上的輸出信號波形，波形中的第①階段為預(yù)驅(qū)動(dòng)階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值隨激勵(lì)時(shí)間而增大；第②階段為諧振階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值達(dá)到最大值，可以在此階段對接收線圈上的輸出信號進(jìn)行采樣；第③階段為衰減階段，該階段磁芯激勵(lì)停止，金屬接收線圈上的輸出信號隨時(shí)間逐漸衰減。
[0029]2)采用將接收線圈復(fù)用為“磁芯重置線圈”，進(jìn)行磁芯重置，方法為:
[0030]通過在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間施加一個(gè)電流，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會(huì)被重新磁化并且其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應(yīng)，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的第“3”點(diǎn)不足；
[0031]具體方法為:先控制第五、第六模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P4為低電平，斷開第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6 ;然后控制第一模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為高電平以接通第一開關(guān)SW1、第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4，使電流通過接收線圈并延時(shí)0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金屬接收線圈和磁芯構(gòu)成了一個(gè)類似電感的結(jié)構(gòu)，而電感上的電流是不能發(fā)生突變的，為了使其內(nèi)部的能量得以釋放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子Pl為低電平，斷開第一開關(guān)SW1，并保持第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為高電平，使第三開關(guān)SW3、第四開關(guān)SW4和二極管Dl構(gòu)成一個(gè)續(xù)流回路，在延時(shí)0.05us?10us后控制第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為低電平以斷開第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4 ;
[0032]本實(shí)施例中，重置磁芯時(shí)的延時(shí)時(shí)間為10us，重置電流幅值為100mA。
[0033]3)采用“對稱差分采樣”方法，消除由模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管帶來的“電荷注入效應(yīng)(Chargelnject1n Effect) ”，解決上述現(xiàn)有技術(shù)的第“4”點(diǎn)不足，具體方法為:
[0034]所述第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6和第三電容C3、第四電容C4構(gòu)成的對稱的采樣電路結(jié)構(gòu)，對金屬接收線圈上的電壓信號進(jìn)行采樣時(shí)，先控制第一模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為低電平，斷開第一開關(guān)SW1、第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4;然后控制第五、第六模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P4為高電平以接通第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6，此時(shí)第三電容C3和第四電容C4同時(shí)對金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d上的電壓信號進(jìn)行采樣；采樣完成后控制第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管控制端子P4為低電平以斷開第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6 ;差分放大器或儀表放大器Al對第三電容C3和第四電容C4上的電壓差進(jìn)行放大并輸出。
[0035]由于第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6的對稱性，在開關(guān)同時(shí)斷開后，第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6注入到第三電容C3和第四電容C4的電荷量相等，注入的電荷在第三電容C3和第四電容C4形成的電勢變化也相等；基于差分放大器或儀表放大器Al的共模電壓抑制特性，第三電容C3和第四電容C4上的等電勢變化將不會(huì)被差分放大器或儀表放大器Al所放大，從而消除了由模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管帶來的“電荷注入效應(yīng)(Charge Inject1nEffect) ”及其造成的傳感器輸出信號失真，提高了傳感器輸出的線性度；此外，由于差分放大器或儀表放大器Al的輸入阻抗很高，采樣電路中使用了分壓的第五電阻R5和第六電阻R6為接收線圈構(gòu)成一個(gè)電荷流動(dòng)的路徑，以防止接收線圈懸空導(dǎo)致差分放大器或儀表放大器Al輸入端的共模輸入電壓超過其最大輸入電壓范圍；第五電阻R5和第六電阻R6的另一個(gè)作用是為差分放大器或儀表放大器Al的輸入端提供一個(gè)固定的共模偏置電壓，使其內(nèi)部的晶體管工作在放大狀態(tài)。
[0036]本電路的控制時(shí)序示例如圖12所示，外加磁場強(qiáng)度和傳感器的輸出電壓關(guān)系如圖13所示。
[0037]本實(shí)用新型的有益效果:本驅(qū)動(dòng)電路采用“對稱差分采樣”電路結(jié)構(gòu)，消除了由模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管帶來的“電荷注入效應(yīng)”;通過在金屬接收線圈的上輸出端子和下輸出端子間施加一個(gè)電流，線圈內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會(huì)被重新磁化并且其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應(yīng)；每條磁芯首尾相連、相互串聯(lián)，相鄰上下兩條磁芯的激勵(lì)電流方向相反，由激勵(lì)電流流過每條磁芯所產(chǎn)生的磁場將相互抵消，從而不會(huì)在金屬接收線圈上形成感性耦合，增加了輸出信號的信噪比；采用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數(shù)條串聯(lián)磁芯的結(jié)構(gòu)，磁芯的兩個(gè)輸入端子相互靠近并位于傳感器的一側(cè)，而接收線圈的兩個(gè)輸出端子相互靠近并位于傳感器的另一側(cè)，磁芯和接收線圈的兩對端子可以盡量遠(yuǎn)離，使得激勵(lì)電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應(yīng)耦合到金屬接收線圈上的影響降到最小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是高導(dǎo)磁率非晶絲磁芯示意圖；
[0039]圖2是高導(dǎo)磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯示意圖；
[0040]圖3是在高導(dǎo)磁率非晶絲磁芯長度方向上存在一個(gè)外加磁場時(shí)磁疇結(jié)構(gòu)中的磁化方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)示意圖；
[0041]圖4是在高導(dǎo)磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯長度方向上存在一個(gè)外加磁場時(shí)磁疇結(jié)構(gòu)中的磁化方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)示意圖；
[0042]圖5是在高導(dǎo)磁率非晶絲磁芯長度方向上存在一個(gè)外加磁場且在磁芯上流過一個(gè)反向的激勵(lì)電流時(shí)磁疇結(jié)構(gòu)中的磁化方向發(fā)生重置示意圖；
[0043]圖6是在高導(dǎo)磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯長度方向上存在一個(gè)外加磁場且在磁芯上流過一個(gè)反向的激勵(lì)電流時(shí)磁疇結(jié)構(gòu)中的磁化方向發(fā)生重置示意圖；
[0044]圖7是本發(fā)明磁場傳感器采用微機(jī)電型(MEMS)線圈時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖8是本發(fā)明磁場傳感器采用普通繞線線圈時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖9是本發(fā)明磁場傳感器中每一條磁芯切分為若干段等長的小段時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖10是本發(fā)明磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)和信號采集電路示意圖；
[0048]圖11是本發(fā)明磁場傳感器的磁芯激勵(lì)電流波形與金屬接收線圈上的輸出信號波形示意圖；
[0049]圖12是本發(fā)明磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)和信號采集電路的控制時(shí)序示意圖；
[0050]圖13是本發(fā)明磁場傳感器的外加磁場強(qiáng)度和傳感器的輸出電壓關(guān)系示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0051]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0052]實(shí)施例:基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，如圖10，所述的驅(qū)動(dòng)和信號采集電路，包括磁芯激勵(lì)部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分，所述電源部分的VCC為直流電源，其電壓范圍為+1.8V?+12V ；
[0053]所述磁芯激勵(lì)部分由第一電阻R1，第一電容Cl，第二開關(guān)SW2和第四電阻R4組成，第四電阻R4的一端連接磁場傳感器El的磁芯的上輸入端子a，磁芯的下輸入端子b接地；直流電源通過限流的第一電阻Rl對第一電容Cl進(jìn)行充電，第一電阻Rl起到限流和隔離的作用，以減小第一電容Cl在充放電時(shí)對電源造成的壓降影響；第四電阻R4起到限制磁芯電流的作用，目的在于防止磁芯上的電流過大；通過控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P2的高低電平可實(shí)現(xiàn)第二開關(guān)SW2的通斷，從而控制磁芯的激勵(lì)電流的通斷；
[0054]所述磁芯重置部分由第二電阻R2，第二電容C2，第三電阻R3，二極管D1，第一開關(guān)SW1、第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4組成，第三開關(guān)SW3的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子c，第四開關(guān)SW4的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d ;
[0055]所述信號米樣和放大部分由第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6、第三電容C3和第四電容C4、第五電阻R5和第六電阻R6以及差分放大器或儀表放大器Al組成，所述第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6和第三電容C3、第四電容C4構(gòu)成對稱的采樣電路結(jié)構(gòu)，第五開關(guān)SW5的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子C，第六開關(guān)SW6的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d。
[0056]優(yōu)選的，電源部分采用VCC為+5V的直流電源；
[0057]所述磁場傳感器E1，包括絕緣基板1、高導(dǎo)磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯2、非磁性導(dǎo)電金屬3、結(jié)構(gòu)對稱的非磁性金屬接收線圈4，在絕緣基板I上放置或加工偶數(shù)條上下平行且首尾相連、相互串聯(lián)的磁芯2，每條磁芯2的左、右兩端分別連接一段非磁性導(dǎo)電金屬3 ;在串聯(lián)的磁芯2外部纏繞有一個(gè)或一組結(jié)構(gòu)對稱的非磁性金屬接收線圈4 ;磁芯的上輸入端子a、下輸入端子b分別連通傳感器最上部、最下部兩個(gè)磁芯2的某一端的非磁性導(dǎo)電金屬3并位于傳感器的一側(cè)，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d相互靠近并位于傳感器的另一側(cè)，如圖7或圖8所示；
[0058]所述磁芯2具有如圖1、圖2所示的短軸異向性磁疇結(jié)構(gòu)，磁芯的材料可為鈷(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度范圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑范圍為2um?lOOum，磁芯的長度范圍為0.05mm?20mm ；
[0059]本實(shí)施例中采用的是直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯，其長度為0.8mm ；
[0060]所述金屬接收線圈4的線圈形式可以是微機(jī)電(MEMS)型線圈、普通繞線線圈、金屬薄膜型線圈等；
[0061]本實(shí)施例中，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導(dǎo)電金屬3連通(如圖9所示)；
[0062]在磁芯2的長度方向上存在一個(gè)外加磁場時(shí)，磁疇結(jié)構(gòu)中的磁化方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖3、圖4所示，此時(shí)，在磁芯2上流過一個(gè)激勵(lì)電流，磁芯2中磁疇的磁化方向?qū)⒈恢匦卵囟梯S方向排列，如圖5、圖6所示，該種排列改變了磁芯2的導(dǎo)磁率μ，并在磁芯2的長軸方向上形成一個(gè)磁通量的變化Δ φ，該磁通量的變化被纏繞在磁芯2外部的接收線圈4感測到并轉(zhuǎn)化為一個(gè)電壓輸出信號，該電壓輸出信號在固定相位的波峰處(或波谷處)的幅值大小與磁芯2長度方向上外加磁場的大小相對應(yīng)，其極性與外加磁場的方向相對應(yīng)；在磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b間施加一個(gè)激勵(lì)電流時(shí)，由于每條磁芯2首尾相連、相互串聯(lián)，所以相鄰上下兩條磁芯2的激勵(lì)電流方向相反，由激勵(lì)電流流過每條磁芯2所產(chǎn)生的磁場將相互抵消，不會(huì)在金屬接收線圈4上形成影響最終輸出信號的感應(yīng)電壓，從而增加了輸出信號的信噪比，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的第“I”點(diǎn)不足；
[0063]采用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數(shù)條串聯(lián)磁芯的結(jié)構(gòu)，使得磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b可以相互靠近并位于傳感器的一側(cè)，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d可以相互靠近并位于傳感器的另一側(cè)，磁芯和接收線圈的兩對端子可以盡量遠(yuǎn)離。這種結(jié)構(gòu)使得激勵(lì)電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應(yīng)耦合到金屬接收線圈4上的影響降到最小，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的第“2”點(diǎn)不足；本實(shí)施例將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導(dǎo)電金屬3連通，通過調(diào)整每段磁芯的長度控制其在長度方向上退磁因子的大小，從而達(dá)到控制傳感器的磁場檢測范圍和磁場靈敏度的目的；隨著每段磁芯長度的縮短，磁芯長度方向上的退磁因子隨之增大，磁場檢測檢測范圍變寬、磁場靈敏度變小；反之，磁場檢測范圍變窄、磁場靈敏度變大(如圖9所示)；在沿磁芯長度方向上施加一個(gè)恒定大小的外部磁場時(shí)，接收線圈的輸出信號幅值隨磁芯的條數(shù)增加而增大，本發(fā)明中采用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結(jié)構(gòu)(如圖8)。
[0064]所述基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用方法，包括:
[0065]I)采用“諧振預(yù)驅(qū)動(dòng)”對磁芯進(jìn)行激勵(lì)，具體方法為:
[0066]由于接收線圈和磁芯構(gòu)成了一個(gè)具有固定的諧振頻率f的電感，通過控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P2的高低電平切換頻率，使磁芯激勵(lì)電流的通斷頻率接近電感的諧振頻率f，當(dāng)兩者頻率相同時(shí)，在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間將得到一個(gè)最大幅值的輸出信號，在信號的峰值或谷值處進(jìn)行采樣后即可控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P2為低電平，停止對磁芯進(jìn)行激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的；
[0067]本實(shí)施例中采用的“諧振預(yù)驅(qū)動(dòng)”的諧振頻率為6MHz ;
[0068]如圖11所示，A為磁芯激勵(lì)電流的波形，B為金屬接收線圈上的輸出信號波形，波形中的第①階段為預(yù)驅(qū)動(dòng)階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值隨激勵(lì)時(shí)間而增大；第②階段為諧振階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值達(dá)到最大值，可以在此階段對接收線圈上的輸出信號進(jìn)行采樣；第③階段為衰減階段，該階段磁芯激勵(lì)停止，金屬接收線圈上的輸出信號隨時(shí)間逐漸衰減。
[0069]2)采用將接收線圈復(fù)用為“磁芯重置線圈”，進(jìn)行磁芯重置，方法為:
[0070]通過在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間施加一個(gè)電流，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會(huì)被重新磁化并且其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應(yīng)，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的第“3”點(diǎn)不足；
[0071]具體方法為:先控制第五、第六模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P4為低電平，斷開第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6 ;然后控制第一模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為高電平以接通第一開關(guān)SW1、第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4，使電流通過接收線圈并延時(shí)0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金屬接收線圈和磁芯構(gòu)成了一個(gè)類似電感的結(jié)構(gòu)，而電感上的電流是不能發(fā)生突變的，為了使其內(nèi)部的能量得以釋放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子Pl為低電平，斷開第一開關(guān)SW1，并保持第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為高電平，使第三開關(guān)SW3、第四開關(guān)SW4和二極管Dl構(gòu)成一個(gè)續(xù)流回路，在延時(shí)0.05us?10us后控制第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為低電平以斷開第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4 ;
[0072]本實(shí)施例中，重置磁芯時(shí)的延時(shí)時(shí)間為10us，重置電流幅值為100mA。
[0073]3)采用“對稱差分采樣”方法，消除由模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管帶來的“電荷注入效應(yīng)(Charge Inject1n Effect) ”，解決上述現(xiàn)有技術(shù)的第“4”點(diǎn)不足，具體方法為:
[0074]所述第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6和第三電容C3、第四電容C4構(gòu)成的對稱的采樣電路結(jié)構(gòu)，對金屬接收線圈上的電壓信號進(jìn)行采樣時(shí)，先控制第一模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P3為低電平，斷開第一開關(guān)SW1、第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4;然后控制第五、第六模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子P4為高電平以接通第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6，此時(shí)第三電容C3和第四電容C4同時(shí)對金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d上的電壓信號進(jìn)行采樣；采樣完成后控制第四模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管控制端子P4為低電平以斷開第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6 ;差分放大器或儀表放大器Al對第三電容C3和第四電容C4上的電壓差進(jìn)行放大并輸出。
[0075]由于第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6的對稱性，在開關(guān)同時(shí)斷開后，第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6注入到第三電容C3和第四電容C4的電荷量相等，注入的電荷在第三電容C3和第四電容C4形成的電勢變化也相等；基于差分放大器或儀表放大器Al的共模電壓抑制特性，第三電容C3和第四電容C4上的等電勢變化將不會(huì)被差分放大器或儀表放大器Al所放大，從而消除了由模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管帶來的“電荷注入效應(yīng)(Charge Inject1nEffect) ”及其造成的傳感器輸出信號失真，提高了傳感器輸出的線性度；此外，由于差分放大器或儀表放大器Al的輸入阻抗很高，采樣電路中使用了分壓的第五電阻R5和第六電阻R6為接收線圈構(gòu)成一個(gè)電荷流動(dòng)的路徑，以防止接收線圈懸空導(dǎo)致差分放大器或儀表放大器Al輸入端的共模輸入電壓超過其最大輸入電壓范圍；第五電阻R5和第六電阻R6的另一個(gè)作用是為差分放大器或儀表放大器Al的輸入端提供一個(gè)固定的共模偏置電壓，使其內(nèi)部的晶體管工作在放大狀態(tài)。
[0076]本電路的控制時(shí)序示例如圖12所示，外加磁場強(qiáng)度和傳感器的輸出電壓關(guān)系如圖13所示。
[0077]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并不用以限制本發(fā)明，在發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方法之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，包括磁芯激勵(lì)部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分，其特征在于: 所述電源部分的VCC為直流電源，其電壓范圍為+1.8V?+12V ; 所述磁芯激勵(lì)部分由第一電阻(Rl)，第一電容(Cl)，第二開關(guān)(SW2)和第四電阻(R4)組成，第四電阻(R4)的一端連接磁場傳感器(El)的磁芯的上輸入端子(a)，磁芯的下輸入端子(b)接地；直流電源通過限流的第一電阻(Rl)對第一電容(Cl)進(jìn)行充電，第一電阻(Rl)起到限流和隔離的作用，以減小第一電容(Cl)在充放電時(shí)對電源造成的壓降影響；第四電阻(R4)起到限制磁芯電流的作用，目的在于防止磁芯上的電流過大；通過控制第二模擬開關(guān)或場效應(yīng)晶體管的控制端子(P2)的高低電平可實(shí)現(xiàn)第二開關(guān)(SW2)的通斷，從而控制磁芯的激勵(lì)電流的通斷； 所述磁芯重置部分由第二電阻(R2)，第二電容(C2)，第三電阻(R3)，二極管(D1)，第一開關(guān)(SWl)、第三開關(guān)(SW3)和第四開關(guān)(SW4)組成，第三開關(guān)(SW3)的一端連接磁場傳感器(El)的金屬接收線圈的上輸出端子(c)，第四開關(guān)(SW4)的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子(d)； 所述信號米樣和放大部分由第五開關(guān)(SW5)和第六開關(guān)(SW6)、第三電容(C3)和第四電容(C4)、第五電阻(R5)和第六電阻(R6)以及差分放大器或儀表放大器(Al)組成，所述第五開關(guān)(SW5)、第六開關(guān)(SW6)和第三電容(C3)、第四電容(C4)構(gòu)成對稱的采樣電路結(jié)構(gòu)，第五開關(guān)(SW5)的一端連接磁場傳感器(El)的金屬接收線圈的上輸出端子(c)，第六開關(guān)(SW6)的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于: 所述磁場傳感器(El)，包括絕緣基板(I)、高導(dǎo)磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯(2)、非磁性導(dǎo)電金屬(3)、結(jié)構(gòu)對稱的非磁性金屬接收線圈(4)，在絕緣基板(I)上放置或加工偶數(shù)條上下平行且首尾相連、相互串聯(lián)的磁芯(2)，每條磁芯(2)的左、右兩端分別連接一段非磁性導(dǎo)電金屬(3);在串聯(lián)的磁芯(2)外部纏繞有一個(gè)或一組結(jié)構(gòu)對稱的非磁性金屬接收線圈(4);磁芯的上輸入端子(a)、下輸入端子(b)分別連通傳感器最上部、最下部兩個(gè)磁芯(2)的某一端的非磁性導(dǎo)電金屬(3)并位于傳感器的一側(cè)，而金屬接收線圈的上輸出端子(c)和下輸出端子(d)相互靠近并位于傳感器的另一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于: 所述磁芯(2)具有短軸異向性磁疇結(jié)構(gòu)，磁芯的材料可為鈷基非晶材料，或鎳基非晶材料，或鐵基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度范圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑范圍為2um?lOOum，磁芯的長度范圍為0.05mm?20_。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非晶態(tài)合金材料的磁場傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:采用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結(jié)構(gòu)；將每一條磁芯(2)切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導(dǎo)電金屬⑶連通；采用直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯(2)，其長度為0.8mm。
【文檔編號】G01R33/02GK204241669SQ201420806063
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】王國安 申請人:王國安