磁場(chǎng)傳感器的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)技術(shù).pdf

1、磁場(chǎng)傳感器目前已經(jīng)充斥于人類社會(huì)生活的各個(gè)角落，它幫助我們獲得了海量的存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)了汽車、輪船和飛機(jī)的高精確度導(dǎo)航和定位，使我們能夠獲取異常微弱的信號(hào)和探索危險(xiǎn)以及人類不能夠到達(dá)的領(lǐng)域。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）設(shè)計(jì)與加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得便攜式磁場(chǎng)傳感器成為可能。在國(guó)外，出現(xiàn)了一些MEMS磁場(chǎng)傳感器，本實(shí)驗(yàn)室也逐漸開(kāi)始這類磁場(chǎng)傳感器的研究。本文研究的主要是硅磁場(chǎng)式傳感器的接口電路。 微傳感器接口電路有最常用的三種讀出機(jī)

2、構(gòu)，即壓阻式，電容式，和諧振式。即分別將傳感器物理量的變化轉(zhuǎn)化為壓阻的變換，電容的變化，和頻率的變化，再結(jié)合后續(xù)的接口電路，將這三種電學(xué)參量的變化值進(jìn)行放大及相關(guān)的信號(hào)處理，得到方便讀取的信號(hào)。 本實(shí)驗(yàn)室將采用一種新型的磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)方式。即通過(guò)電熱激勵(lì)或者洛倫茲力激勵(lì)將傳感器激勵(lì)在其諧振頻率處，而在激勵(lì)作用下振動(dòng)起來(lái)的懸臂梁在磁場(chǎng)中切割磁力線而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，該感生電動(dòng)勢(shì)的大小與外加磁場(chǎng)的大小成正比，檢測(cè)該電動(dòng)勢(shì)的幅值，從而得

3、知磁場(chǎng)的大小。由于MEMS磁場(chǎng)傳感器的尺寸微小，切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)非常微弱，任何放大電路在此情況下都存在背景噪聲。如何在背景噪聲下把微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)是設(shè)計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 本文對(duì)各種微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了介紹，包括濾波技術(shù)，鎖定放大技術(shù)，取樣平均技術(shù)等。本文采用低噪聲運(yùn)算放大器加濾波的電路結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)磁場(chǎng)傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。介紹了電路中的噪聲，并介紹如何通過(guò)計(jì)算及仿真來(lái)預(yù)測(cè)電路的固有噪聲大小。并對(duì)BJ

4、T、JFET、CMOS三種常見(jiàn)的低噪聲放大器性能進(jìn)行比較。介紹了文章中所使用的前置低噪聲放大電路的的結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果，選定Burr-Brown公司生產(chǎn)的OPA627芯片構(gòu)成差動(dòng)多級(jí)放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微弱交流信號(hào)放大。并設(shè)計(jì)濾波電路，對(duì)電路的帶寬進(jìn)行限制，以降低寬帶噪聲。選用MAXIM公司的一款基于狀態(tài)可調(diào)結(jié)構(gòu)的連續(xù)時(shí)間模擬集成有源濾波器（MAX275芯片），然后根據(jù)傳感器的特性，確定濾波器相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)，并給出前置放大電路+濾波器的整體測(cè)試電

5、路噪聲性能仿真結(jié)果。 通過(guò)設(shè)計(jì)具體的PCB電路板，來(lái)實(shí)現(xiàn)前述的電路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行測(cè)試。首先使用Protel設(shè)計(jì)檢測(cè)電路原理圖，并制作相關(guān)電路板。接下來(lái)對(duì)前置放大電路、濾波器進(jìn)行分別測(cè)試及整體測(cè)試。前置放大電路放大倍數(shù)為60．7dB（1080倍），-3dB衰減頻率為875KHz與計(jì)算、仿真結(jié)果基本一致。帶通濾波器中心頻率為16KHz，與設(shè)計(jì)相同，-3dB帶寬BW=900Hz，Q=17．78，H0=23．3。表明在比較低頻率下，誤差相

6、當(dāng)小。中心頻率、放大倍數(shù)與計(jì)算值幾乎一致。Q值與計(jì)算值有5％左右的誤差。總體檢測(cè)電路測(cè)試結(jié)果顯示對(duì)于μV級(jí)信號(hào)可以得到良好的輸入輸出關(guān)系，輸入信號(hào)越增加，穩(wěn)定性準(zhǔn)確度越高。接下來(lái)將傳感器、磁場(chǎng)和檢測(cè)電路結(jié)合進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)傳感器本征頻率對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后在壓電陶瓷的激勵(lì)下檢測(cè)傳感器切割磁力線的輸出。測(cè)試結(jié)果顯示輸出電壓隨磁場(chǎng)大小變化基本呈線性關(guān)系。最后將前述檢測(cè)電路結(jié)合模擬開(kāi)關(guān)，兩相不交疊時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)所提出的分時(shí)復(fù)用激勵(lì)檢測(cè)模式，并給