微功耗磁阻式传感器设计＊

时维科 赵喜春 吴福强

（92941部队93分队 葫芦岛 125001）

1 引言

磁性传感器发展至今已经被广泛的应用于导航、自动化操作等不同领域［7～8］。高灵敏度磁场传感器可以用于地磁场异常探测，其中典型的应用就是用来探测一定距离上的铁磁物体，实现这个应用需要传感器能够满足较远探测距离和能够在电池供电下长时间工作等特性，因此需要高精度、微功耗磁性传感器［1］。针对这些要求，论文设计了以Honeywell公司生产的各向异性磁阻式传感器HMC1052为核心的微功耗磁传感器。论文设计了功耗控制电路用以最大限度的降低传感器功耗，使用推挽式置位／重置电路完成对传感器置位／重置操作，经过磁屏蔽桶和格拉斯磁环测试，标定了传感器的噪声和灵敏度，结果表明该传感器满足了高精度、微功耗的要求［10］。

2 磁性传感器选型

磁性传感器的选择主要从传感器的分辨率、频响、尺寸及功耗等方面进行论证。图1给出了主流磁性传感器的灵敏度范围，图中GMN表示地磁场强度，E表示地磁噪声。从图1中可以看到线圈、磁通门和磁阻效应传感器的分辨率都可以到1nT左右，精度上均可以满足一定距离上探测大型铁磁目标的要求。而磁阻式传感器相对另外两种传感器有可靠性高、尺寸小且功耗低等特点［2，3］。因此选取了各项异性磁阻式传感器。

图1 磁传感器灵敏度范围

HMC1052传感器是HoneyWell公司HMC系列传感器中功耗最低的两轴磁传感器，其主要的技术指标是：灵敏度是1mV／V／Gass，噪声在5V供电，频率1kHz时是5nT／sqrt（Hz）；x、y轴的不正交误差小于0.01°，置位／重置电流0.5A，置位电阻带阻抗是4.5ohms，传感器的带宽是5MHz［4］。该传感器特有置位／重置电流带，用以对传感器置位／重置。

3 传感器硬件设计

传感器的硬件设计主要围绕提高传感器灵敏度和降低传感器功耗进行设计。传感器的硬件框图如图2所示，该传感器硬件由置位／重置电路、信号放大电路、滤波电路、电压转换电路和功耗控制电路组成。

图2 传感器硬件结构图

3.1 置位／重置电路设计

置位／重置是为了优化传感器灵敏度，防止温度漂移，降低自身噪声［1，4］。

图3 推挽置位／重置电路

论文采用的是推挽式输出级式的置位／重置电路。电路图如图3所示，使用IRF7509实现推挽输出，该芯片内部集成了P沟道和N沟道MOSFET，最大输出4A电流，导通阻抗270mΩ，满足对传感器置位／重置需要。电路的工作原理是当输入逻辑电源电压是高电平时（Vsr＞3.3V）X2打开，C2和Rsr串联接地。输入逻辑电源切换到低电平（Vsr＜0.5V）时，X2关闭，X1从关闭到打开，突然将串联R-C拉到由C1-R1节点电平Vdd，C2开始时为零电压，突然升至Vdd导致所有电压施加到Rsr上，电流由Rsr流向C2，实现重置。当X1、X2分别切换到打开和关闭时，X1关闭了Vdd，C2突然接地，Rsr上产生负压，电流流出C2到Rsr，完成设置功能。图4给出了实际电路测试过程中在C2与Rsr节点处获取的信号波形，满足置位／重置要求。

图4 实测置位／重置波形

图5 信号调理电路原理图

3.2 信号调理电路设计

图5给出了信号调理电路的原理图，信号调理电路将传感器惠斯通电桥输出的差分信号经放大滤波后转换为单端信号。这里放大器选用的是噪声小、精度高的仪表运放INA118，该运放的主要技术指标有消耗电流350μA、噪声10nV／sqrt（Hz）。运放的放大倍数计算公式是G＝1＋50kΩ／Rg，通过调节Rg便可以调节放大倍数［6］，论文设计放大倍数是250。因此调理电路的理论有效测量范围是±（2nT～105nT），灵敏度是14.4μV／nT。参数满足铁磁目标探测的要求。

4 传感器性能标定

在传感器的硬件部分设计基础上对传感器硬件的各项技术指标进行测试，主要包括传感器的噪声及灵敏度标定［9］。传感器参数标定使用了图6所示的装置。

图6 传感器性能标定装置框图

通过在格拉斯线圈上通多组交变电流来标定传感器的灵敏度。将传感器的一个轴和线圈的轴线对齐，记录传感器的输出电压，线圈的轴心处的磁场强度与电流的关系是1mA⇔1mOe＝100nT。

图7 0.5Hz信号

图7和图8分别给出了当输入信号频率是0.2Hz、1Hz，峰峰值是3V、2V时，采集到传感器输出的信号，两图中给出的是经补偿地磁场、低通滤波处理后的信号及转换后的格拉斯磁环两端信号。根据输入与输出之间的线性对应关系得到传感器的灵敏度分别是14.4μV／nT和14.2μV／nT。

噪声测试是将传感器置于磁屏蔽桶内（无磁空间）并将传感器输出的信号存储在SD卡中。x轴信号的均值是1.3821V，y轴均值是1.2810。INA118的基准电压实测值是1.254V，因此可以得到传感器的偏置磁场电压分是0.1281V和0.027V。图9给出了屏蔽桶传感器输出的信号，由波形分析可以知道传感器噪声峰值±6nT，具有较高的精度。

图8 2Hz信号

图9 屏蔽桶传感器测数据

5 结语

完成了基于HMC1052微功耗两轴磁阻式传感器设计。论文在全面分析和对比现有磁性传感器特点基础上，从功耗、灵敏度范围、尺寸和可靠性等方面论证了磁阻式传感器进行铁磁物体探测的可行性。通过设计功耗控制电路进一步降低了传感器电路的功耗，使原来的功耗从5.7mA降为5.7μA，实际测试得到传感器灵敏度是14.2μV／nT，传感器的噪声是12nT。

该传感器的各项指标说明该传感器可以用于对功耗、尺寸和精度要求较高的场合，具有广泛的应用前景。

［1］J.E.Lenz.A review of magnetic sensors［J］.IEEE SENSORS JOURNAL，1990（6）：973～989

［2］J.E.Lenz.Magnetic Sensors and Their Applications［J］.IEEE SENSORS JOURNAL，2006（6）：631～649

［3］吴刚，李一博，胡晓莉，等.磁阻传感器在“管道机器人”的地面标记器中的应用［J］.仪器仪表学报，2004，25（4）：129～135

［4］1-and 2-axis magnetic sensors HMC10-51／1052（M）honeywell用户手册

［5］Set／reset funct ion for magnetic sensors.Honeyw ell Application Note，AN 213

［6］杨昌金，王涛.精密低功耗仪表放大器INA118及其应用［J］.国外电子元器件，2006（6）

［7］裴轶，虞南方，刘奇，等.各向异性磁阻传感器的原理及其应用［J］.仪表技术与传感器，2004（8）：26～32

［8］余生明.蓬勃发展的磁传感器技术［J］.国际电子变压器，2007（7）：107～112

［9］贾伯年，俞朴，宋爱国，等.传感器技术［M］.江苏：东南大学出版社，2007：5～45

［10］李娟，陈涛.传感器与测试技术［M］.北京：航空航天大学出版社，2009：9～53