关于用于角度测量的单片集成磁场传感器特性的研究

《IEEE Sensors Journal》：Research on Characteristics of Monolithically Integrated Magnetic Field Sensor for Angular Measurement

非接触角度测量磁传感器设计及性能分析

　　

摘要：

为了通过磁敏器件（硅磁敏晶体管，SMST）实现非接触式角度测量，本文提出了一种单片集成的磁场传感器。具有相反磁灵敏度方向的器件被配对形成磁敏单元（MSU），用于测量外部施加磁场B在水平平面内的x方向和y方向的分量，即Bx和By。当磁场B与被测物体同步旋转时，x-MSU和y-MSU会根据磁场分量的变化产生相应的电压信号。通过对传感器输出的电信号进行反三角函数计算，可以间接确定被测物体的旋转角度θ。该传感器芯片采用微机电系统（MEMS）技术制造和封装，并对其性能参数进行了实验表征。实验结果表明，x-MSU和y-MSU的磁灵敏度分别为114.3 mV/T和109.8 mV/T。在0°至360°的磁场旋转范围内，x-MSU和y-MSU的输出电压分别呈现余弦波和正弦波曲线。该传感器能够连续进行多范围循环角度测量并保持稳定的性能，角度测量分辨率为0.1°，信号积分时间为0.7秒，非线性误差为满量程（F.S.）的0.74%。

引言

角度信息（如角位移和角加速度）的测量在航空航天[1]、[2]、车辆工程[3]、[4]、[5]、[6]以及工业自动化[1]、[7]、[8]等领域具有重要意义。根据工作原理，当前的角度测量方法主要包括电容式[9]、[10]、[11]、感应式[12]、[13]、光学式[14]、[15]、[16]、磁电式[17]等。为了实现非接触式角度测量并提高测试系统的稳定性和耐用性，通过检测磁场变化间接获取角度信息的磁电方法引起了研究人员的关注[18]。Demierre等人[19]开发了一种无接触式绝对角度微系统。该微系统使用四对六个触点的垂直霍尔传感器测量旋转磁场在x轴和y轴上的投影，并输出相应的电信号。通过旋转电流原理对霍尔传感器输出的信号进行偏移补偿，然后利用时间复用确保两个轴上的增益相同。最后，利用反三角函数计算角度值。实验结果表明，在0°–360°的测量范围内，仅通过霍尔传感器的残余偏移补偿，该微系统的绝对非线性误差可达±0.5°；结合增益不匹配和相位补偿后，非线性误差可降至±0.17°。Kejik等人[20]公开了一种角度位置传感器。该传感器使用一个具有64个均匀分布触点的n型掺杂环作为传感元件，通过检测模拟信号的相位来测量磁场角度，并由计数器直接转换为数字输出。该传感器可以在0°–360°范围内测量角度，角度分辨率为0.02°，无需校准时的精度为±0.1°。Sreevidya等人[21]提出了一种各向异性磁阻（AMR）角度传感器。该传感器由两个相互成45°角的AMR惠斯通电桥电路组成，能够在0°–180°范围内测量磁场角度，角度分辨率为0.09°，最小非线性误差为满量程的0.47%。Wang等人[22]提出了一种电磁角度位置测试系统。该系统利用磁隧道结（MTJ）传感器检测高磁导率mu金属块产生的交变磁场，从而实现非接触式角度测量。在±60°范围内，系统的角度测量误差小于1°；在360°范围内，误差小于2°。Sun等人[23]介绍了一种感应式角位移传感器。固定在转子上的电感线圈在旋转时产生感应电动势，使传感器输出相应的电信号。该传感器的测量范围为0°–360°，精度为±0.0012°。Xue等人[24]利用FeCoNiBSiMo线的巨磁阻（GMI）效应构建了一种角度检测系统。由铁磁材料制成的齿状编码器在居里温度以下自发磁化，在分量边缘产生强度交替变化的磁场。随着编码器的旋转，非晶微线的阻抗在低频交流激励下表现出周期性变化，从而实现旋转角度的检测。在1-MHz的激励频率下，该角度传感器的角度分辨率为0.25°，相对电抗变化率为19.5%。Shiryayev等人[25]提出了一种基于磁致伸缩材料和光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器的角度传感器。他们将FBG应变传感器集成在两根正交放置的磁致伸缩材料棒上，并将其安装在定子上。当转子驱动永磁体旋转时，磁致伸缩材料棒发生变形，FBG应变传感器输出响应信号。该传感器的角度测量范围为90°，角度分辨率为0.015°。Luo等人[26]提出了一种柔性霍尔角度传感器。该传感器使用N型硅外延层（Nepi）作为磁敏元件，并与高增益放大器集成。通过优化电路布局，传感器可以实现360°的角度测量范围。总之，近年来关于磁电角度测量的研究主要集中在不同磁灵敏度机制的开发以及传感器结构的创新设计上。