MEMS磁通门传感器检测系统及方法

mems磁通门传感器检测系统及方法
技术领域
1.本公开涉及微弱磁场检测技术领域，具体涉及一种mems磁通门传感器检测系统及方法。


背景技术：

2.微机电(micro-electro-mechanical system，简称mems)磁通门传感器是由变压器效应衍生出来的一类磁场敏感器件，广泛应用于生物医学、定位跟踪、航空航天和消费电子产品等领域。与传统磁通门传感器相比，其具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、易于批量生产等特点，因此得到了广泛的应用研究。传感器包括激励线圈、感应线圈、磁芯三个主要部分，当外界磁场变化时，软磁性材料的磁化特性产生变化，进而使得输出信号二次谐波的幅值产生变化。根据激励线圈产生的激励磁场和外部感应磁场的角度关系，可以将磁通门传感器分为两类：正交磁通门和平行磁通门。
3.mems磁通门传感器检测系统常用的技术有以下两种：时间差法和偶次谐波法。其中时间差法的测量原理是：当以等时间差脉冲作为激励信号时，不同磁场中感应脉冲信号的时间差不同，通过对感应脉冲信号时间差的测量，计算待测磁场的大小。但是传感器敏感单元存在重复磁化、磁芯噪声以及随机干扰等因素，使得感应信号的时间差不稳定，影响测量精度。随着各种高性能放大器与锁相放大器结构的出现，偶次谐波法渐渐成为mems磁通门信号检测电路的主要选择。在磁芯处于交替性饱和的状态下，磁通门传感器感应信号中偶次谐波分量的幅值和被测磁场强度的关系可以用线性函数拟合，由此实现磁场的测量，但上述方法还存在噪声高、灵敏度低、精度受限等缺点。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对上述问题，本公开提供了一种mems磁通门传感器检测系统及方法，用于至少部分解决传统检测装置噪声高、灵敏度低、精度受限等技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开一方面提供了一种mems磁通门传感器检测系统，包括：激励单元，用于产生三路信号；其中一路为激励信号，另外两路为正交参考信号；mems磁通门传感器，其输入端与激励单元的激励信号端连接，其输出端连接到解调单元，用于提取与外界磁场信号相对应的磁通门信号；检测单元，包括解调单元和数据处理模块，解调单元包括正交乘法解调模块、平行乘法解调模块，解调单元分别与激励单元的两路正交参考信号端连接；数据处理模块根据磁通门信号、正交参考信号计算得到外部磁场的强度。
8.进一步地，激励单元包括直接数字频率合成器，用于产生三路正弦信号。
9.进一步地，mems磁通门传感器与激励单元的激励信号端之间还包括缓冲放大模块。
10.进一步地，缓冲放大模块包括差分放大电路。
11.进一步地，mems磁通门传感器包括：矩型磁芯、激励线圈和感应线圈，激励线圈和感应线圈分别缠绕在矩型磁芯上；激励线圈与激励单元连接，感应线圈与解调单元连接。
12.进一步地，正交乘法解调模块包括两个输入端，其分别连接正交参考信号和磁通门信号；平行乘法解调模块包括两个输入端，其分别连接平行参考信号和磁通门信号；正交乘法解调模块、平行乘法解调模块的输出端连接到数据处理模块。
13.进一步地，数据处理模块用于选取磁通门信号中幅值最大的二次谐波作为目标信号，计算外部磁场的强度。
14.进一步地，数据处理模块包括：模数转换器，用于将解调单元处理过的信号转化为数字信号传送到微控制单元；微控制单元，用于对数字信号进行计算得到二次谐波的幅值，并根据幅值计算得到外部磁场的强度。
15.本公开另一方面提供了一种根据前述mems磁通门传感器检测系统的检测方法，包括：s1，使用激励单元产生三路信号；其中频率为ω0的信号作为激励信号输入到mems磁通门传感器中，另外两路频率为2ω0的正交信号作为参考信号输入到检测单元中；s2，在外部磁场的作用下，激励信号对mems磁通门传感器的激励线圈进行饱和激励，生成相对应的磁通门信号；s3，使用检测单元根据磁通门信号、正交信号计算得到外部磁场的强度。
16.进一步地，s3包括：s31，将磁通门信号与正交信号进行互相关检测，得到其中的二次谐波信号；s32，根据二次谐波信号计算得到二次谐波的幅值；s33，根据二次谐波的幅值计算得到外部磁场的强度。
17.(三)有益效果
18.本公开提供的mems磁通门传感器检测系统及方法，集激励信号产生和调节、检测信号解调于一体，具有体积小、集成度高、功耗低、灵敏度高的优点，可以作为磁通门传感器的通用调测平台。进一步地，通过采用差分放大电路驱动mems磁通门传感器，可以极大程度上降低mems磁通门传感器检测系统的共模噪声，提升系统灵敏度；在解调单元中采用基于纯模拟电路的平行乘法解调和正交乘法解调结构，能够在准确提取出感应信号中二次谐波信号幅值的同时，滤除基频信号和噪声信号。
附图说明
19.图1示意性示出了传统mems磁通门传感器检测系统的结构示意图；
20.图2示意性示出了根据本公开实施例中mems磁通门传感器检测系统的结构示意图；
21.图3示意性示出了根据本公开实施例中mems磁通门传感器的结构示意图；
22.图4示意性示出了根据本公开实施例中mems磁通门传感器的实物图；
23.图5示意性示出了根据本公开实施例中mems磁通门传感器检测系统的输出的噪声功率谱和带宽的检测结果示意图。
具体实施方式
24.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
25.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用
的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
26.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
27.传统mems磁通门传感器检测系统的结构示意图如图1所示，正弦信号发生器产生的正弦信号经过缓冲、放大、隔直之后，作为激励信号输入到磁通门传感器的激励线圈；激励线圈产生交变的磁场使得磁芯处于交替性饱和与非饱和的状态，从而在感应线圈中产生感应信号；感应信号经过放大之后转换成数字信号进入fpga中，再进行数字域的锁相解调以及显示。这种方法需要检测的信号是感应信号中的二次谐波分量，其余的基波信号和高次谐波信号都被视为噪声，因此可以消除磁芯噪声带来的误差。但是二次谐波信号幅值较小，且模数转换具有有限的精度，同时在fpga中进行解调也存在精度上限。这些因素大大限制了mems磁通门传感器精度的提升。
28.基于此，本公开专利针对上述方法的高噪声、低灵敏度、精度受限等缺点，提出新型电路结构以降低此磁芯效应等带来的噪声，提升系统灵敏度。
29.本公开的实施例提供了一种mems磁通门传感器检测系统，请参见图2，包括：激励单元，用于产生三路信号；其中一路为激励信号，另外两路为正交参考信号；mems磁通门传感器，其输入端与激励单元的激励信号端连接，其输出端连接到解调单元，用于提取与外界磁场信号相对应的磁通门信号；检测单元，包括解调单元和数据处理模块，解调单元包括正交乘法解调模块、平行乘法解调模块，解调单元分别与激励单元的两路正交参考信号端连接；数据处理模块根据磁通门信号、正交参考信号计算得到外部磁场的强度。
30.激励单元同时产生激励信号和参考信号，参考信号的频率是激励信号的2倍。
31.mems磁通门传感器接收激励单元产生的激励信号，并产生感应信号，当外部磁场存在时，感应信号中产生偶次谐波，其幅值与外部磁场强度有关；检测单元根据偶次谐波和正交参考信号计算即可得到待测磁场的信息。本公开采用二次谐波法、设计磁通门传感器检测系统的结构，利用mems磁通门探头实现了微弱磁场的高精度测量。
32.在上述实施例的基础上，激励单元包括直接数字频率合成器，用于产生三路正弦信号。
33.激励单元通过直接数字频率合成器(direct digital synthesizer，dds)产生三路正弦信号，正弦信号频率可以根据需求而定；其中两路连接到解调单元作为正交参考信号，另外一路连接到mems磁通门传感器作为激励信号。
34.在上述实施例的基础上，mems磁通门传感器与激励单元的激励信号端之间还包括缓冲放大模块。
35.缓冲放大模块一端与dds相连，另一端连接到mems磁通门传感器的输入端，其可以采用电压跟随器加同相放大电路，也可以直接采用差分放大电路。
36.在上述实施例的基础上，缓冲放大模块包括差分放大电路。
37.通过采用差分放大结构驱动mems磁通门传感器，可以极大程度上降低mems磁通门传感器检测系统的共模噪声，提升系统灵敏度。
38.在上述实施例的基础上，mems磁通门传感器包括：矩型磁芯、激励线圈和感应线
圈，激励线圈和感应线圈分别缠绕在矩型磁芯上；激励线圈与激励单元连接，感应线圈与解调单元连接。
39.磁通门传感器通过mems工艺在基底上形成矩型磁芯、螺线管型激励线圈和感应线圈制成的，如图3所示。激励线圈和感应线圈缠绕在软磁磁芯上，分别与激励单元和解调单元相连。与环形磁芯相比，矩形磁芯更有利于提升磁通门传感器的灵敏度；与杆形磁芯相比，矩形磁芯更有利于抑制磁通门传感器的剩磁，降低磁通门功耗。
40.在上述实施例的基础上，正交乘法解调模块包括两个输入端，其分别连接正交参考信号和磁通门信号；平行乘法解调模块包括两个输入端，其分别连接平行参考信号和磁通门信号；正交乘法解调模块、平行乘法解调模块的输出端连接到数据处理模块。
41.参阅图2，激励单元中的dds模块产生三路正弦信号，其中频率为ω0的信号dds3经过差分放大之后作为激励信号输入到磁通门传感器中，另外两路频率为2ω0的正交信号dds1，dds2作为解调单元的参考信号；在外部磁场的作用下，磁通门产生调制的输出信号f(t)；解调单元中的正交乘法解调和平行乘法解调模块分别将磁通门传感器的输出信号与激励单元产生的参考信号相乘，得到包含外部磁场信息的两路直流信号i(t)、q(t)，通过a/d转换后解算出对应的磁场强度。
42.dds1、dds2、dds3和f(t)关系表达式如下：
43.dds1：h1(t)＝k cos(2w0t)
ꢀꢀꢀ
(1)
44.dds2：h2(t)＝k sin(2w0t)
ꢀꢀꢀ
(2)
45.dds3：h3(t)＝k cos(w0t)
ꢀꢀꢀ
(3)
46.f(t)：f(t)＝acos(wt α)
ꢀꢀꢀ
(4)
47.f(t)是周期信号，因此可以根据傅里叶级数展开为：
[0048][0049]
f(t)经过dds1的平行乘法解调得到i(t)为：
[0050][0051]
当且仅当n＝2时，i(t)存在直流分量
[0052][0053]
f(t)经过dds2的正交乘法解调得到q(t)为：
[0054][0055]
当且仅当n＝2时，q(t)存在直流分量
[0056][0057]
通过计算，便可以得到二次谐波幅值a2。
[0058][0059]
在解调单元中采用基于纯模拟电路的平行乘法解调和正交乘法解调结构，能够在准确提取出感应信号中二次谐波信号幅值的同时，滤除基频信号和噪声信号。
[0060]
在上述实施例的基础上，数据处理模块用于选取磁通门信号中幅值最大的二次谐波作为目标信号，计算外部磁场的强度。
[0061]
当外部磁场存在时，感应信号中产生偶次谐波，其幅值与外部磁场强度有关；根据幅值即可计算出外部磁场的强度。
[0062]
在上述实施例的基础上，数据处理模块包括：模数转换器，用于将解调单元处理过的信号转化为数字信号传送到微控制单元；微控制单元，用于对数字信号进行计算得到二次谐波的幅值，并根据幅值计算得到外部磁场的强度。
[0063]
模数转换器(analog to digital converter，adc)用于将电流模拟信号转换为数字信号后传输给微控制单元；微控制单元(microcontroller unit，mcu)主要进行数据的计算处理。
[0064]
本公开还提供了一种根据前述mems磁通门传感器检测系统的检测方法，包括：s1，使用激励单元产生三路信号；其中频率为ω0的信号作为激励信号输入到mems磁通门传感器中，另外两路频率为2ω0的正交信号作为参考信号输入到检测单元中；s2，在外部磁场的作用下，激励信号对mems磁通门传感器的激励线圈进行饱和激励，生成相对应的磁通门信号；s3，使用检测单元根据磁通门信号、正交信号计算得到外部磁场的强度。
[0065]
在上述实施例的基础上，s3包括：s31，将磁通门信号与正交信号进行互相关检测，得到其中的二次谐波信号；s32，根据二次谐波信号计算得到二次谐波的幅值；s33，根据二次谐波的幅值计算得到外部磁场的强度。
[0066]
本公开采用的技术方案原理是：mems磁通门传感器检测系统主要由激励单元、mems磁通门传感器和检测单元组成。激励单元包含dds信号源和缓冲放大两部分，由dds产生的正弦信号其中一路经过缓冲放大之后作为激励信号与mems磁通门传感器的激励线圈相连，另外两路作为参考信号与检测单元的解调单元相连；mems磁通门传感器的激励线圈与激励单元相连，感应线圈与解调单元相连，激励线圈产生交变的磁场使得磁芯处于交替
性饱和与非饱和的状态，从而在感应线圈中产生感应信号，当外部磁场存在时，感应信号中产生偶次谐波，其幅值与外部磁场强度有关；解调单元以激励单元提供的两路信号为参考，从感应信号中读取偶次谐波的幅度信息，从而得到待测磁场信息。本公开采用二次谐波法、设计新型激励电路结构、设计纯模拟解调电路等方法，利用mems磁通门探头实现了对磁场的低噪声、高精度、高灵敏度测量。
[0067]
下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述mems磁通门传感器检测系统及方法进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。
[0068]
本实施例提供一种mems磁通门传感器检测系统，如图2所示。该mems磁通门传感器检测系统由激励线圈1、2、3、4，感应线圈5和磁芯6三部分组成。正常工作情况下，在激励线圈1、2、3、4中输入频率为ω0的正弦信号，从而产生交变的磁场，使得磁芯6的磁化特性发生周期性饱和与非饱和的变化，进而在感应线圈5中产生与外界磁场成比例的调制信号。感应信号包括基波和高次谐波，其中偶次谐波的幅值与外部磁场成正比。为了提高系统灵敏度，选取幅值最大的二次谐波作为目标信号，其他信号都将被视为噪声。
[0069]
激励单元中的dds模块产生三路正弦信号，其中频率为ω0的信号dds3经过差分放大之后作为激励信号输入到磁通门传感器中，另外两路频率为2ω0的正交信号dds1，dds2作为解调单元的参考信号；在外部磁场的作用下，磁通门产生调制的输出信号f(t)；解调单元中的正交乘法解调和平行乘法解调模块分别将磁通门传感器的输出信号与激励单元产生的参考信号相乘，得到包含外部磁场信息的两路直流信号i(t)、q(t)，通过a/d转换后解算出对应的磁场强度。
[0070]
根据以上原理设计制造对应的测试电路进行测试。如图4所示，将磁通门探头及电路系统放入六层屏蔽罩内，使用keysight 35670a动态信号分析仪对其进行低频噪声分析，得到检测系统输出的噪声功率谱如图5a所示。在激励频率为450khz、激励电流为50ma的条件下，系统在1hz处的噪声为1.086nt/rthz@1hz，在低频(0.05hz＜f＜10hz)范围内，系统的噪声平均值为0.983nt。图5b所示表明系统带宽大于1khz。
[0071]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。