MEMS磁通门传感器应用解决方案
微型磁通门式磁敏感器(MEMSMag)
微型磁通门式磁敏感器(MEMSMag)
杨建中;尤政;刘刚;康春磊;田扬超
【期刊名称】《功能材料与器件学报》
【年(卷),期】2008(14)2
【摘要】基于MEMS技术的微型磁通门式磁敏感器是磁场测量技术和微机电系统(MEMS)技术交叉研究领域的一个热点,在航空航天领域特别是在纳型/皮型卫星技
术中有着重要的应用。
本文介绍了该类磁敏感器所运用的磁通门效应的原理。
从磁芯、线圈和整体结构布局等方面分析了现有的各种微型磁通门式磁敏感器的结构特征。
并依据磁通门原理和各种微型磁通门式磁敏感器的结构特点,设计了一种两轴
微型磁通门式磁敏感器。
这种新型的磁敏感器具有对称结构、闭合磁路、差动形式、柔性连接等显著特点。
【总页数】6页(P313-318)
【关键词】微机电系统(MEMS);磁通门;磁传感器;传感器设计
【作者】杨建中;尤政;刘刚;康春磊;田扬超
【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系;中国科学与技术大学国家同步辐射实
验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH7;TN4
【相关文献】
1.基于三端式磁通门传感器的磁目标探测研究 [J], 刘仁浩;焦国太;郝林峰
2.基于三端式磁通门传感器的弱磁测量系统设计 [J], 杨鹏飞;张朴;成鹏;程晶晶
3.基于磁通门和磁阻传感器的混合宽带磁传感器的研究与设计 [J], 许朋博;王鲜然;欧阳君;杨晓非
4.双磁芯磁通门式传感器磁对称性的频谱分析方法 [J], 隗燕琳;王彦东;曾祥子;陈李健;丁炜伦
5.开环式磁通门电流传感器聚磁环设计 [J], 杨卓;蔡晓斌;吴波;谭向宇;张文斌;李彤因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于磁通门传感器的数字信号处理系统
数字 信号 处理 器 （ＤＳＰ）是 能 有效 处 理各 种 数字 信号的微处理器 ，主要应用是实时快速地实现各种 数 字 信号 的处 理算 法 ，已被 广泛 应 用 于 测 量 、检 测 、 控制 等各 个 领 域 Ｊ。文 中研 究 一 种 利 用 ＤＳＰ进 行 信号 处理 ，实 现数 据 的 采 集 和处 理 的磁 通 门信 号处
收 稿 日期 ：２０１５—０１—０５ 作者 简介 ：鲍丙 豪 （１９６３一），男 ，教授 ，硕 士生导师 ，从 事新型传感
与 智 能 检 测 、仪 器 仪 表 、新 材 料 敏 感 机 理 及 应 用 方 面 的 研 究 工 作 。
毕业论文(磁通门传感器)
毕业论文(磁通门传感器)摘要三分量磁通门地磁场检测装置是应用磁通门传感器对地磁场进行测量的矢量检测装置。
与其它类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高，测量弱磁场范围宽，体积小、重量轻、功耗低，经济性好，能够直接测量磁场的失量和适于在高速运动系统中使用等特点，被广泛应用于各种领域。
本文分析了磁通门传感器的工作原理，详细论述了如何采用数字检波的方法进行信号处理.本文还介绍了三分量地磁场检测装置硬件电路的设计和单片机程序。
检测装置主要由三分量磁通门传感器、单片机最小系统、A/D数据采集电路和串口电路构成。
三分量磁通门传感器检测到磁场的矢量大小，输出信号经过有源滤波器和放大器处理后得到三路幅度与磁场各分量大小成正比的正弦信号。
A/D同时对三路信号进行4倍频采样，将两个周期的采样数据传送到单片机，然后单片机通过串行端口将数据发送到计算机，最后由计算机完成数据的处理和分析。
关键词三分量地磁场数字检波数据采集串行端口11111 绪论1.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义在介绍三分量磁通门地磁场检测装置之前，首先介绍一下它的研究目的和意义。
检测装置主要是通过检测地磁场的大小来寻找铁磁性物质的。
铁磁性物质中很重要的一类就是铁。
我国是最早发现和使用铁的国家，同时铁也是世界上发现并使用最早的一种金属材料。
世界铁资源丰富，据美国地质调查所和矿业局1996年1月的统计，世界铁矿石资源量超过8000亿吨，折合金属量超过2300亿吨。
1995年世界铁矿石储量1 500亿吨、储量基础2300亿吨，折合铁金属量分别为650亿吨、1000亿吨。
我国铁金属储量73.29亿吨，应在俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西之后居世界第5位。
截至1996年底，全国共查明铁矿产地1834处。
累计探明铁矿石储量504.78亿吨，按全国铁矿石平均含铁品位33%计算，铁金属量为166.58亿吨。
扣除历年开采与损失，尚保有铁矿石储量463.47亿吨，铁金属152.95亿吨。
磁通门传感器数据采集单元FDU101
数据采集单元—卓越的磁场测量解决方案磁通门传感器数据采集单元FDU101简述:德国柯雷公司的磁通门传感器数据采集单元FDU101，按照工业标准设计，电路精度高达0.05%，结构紧凑，可靠实用。
用户只需要将一个三维磁通门传感器，如Bartington 品牌的Mag-03、Mag-13或者Mag690等，连接到FDU101，即可得到数字化输出，简单快捷。
磁通门传感器数据采集单元FDU101，不但为相连的这个三维磁通门传感器提供±15V 电源，而且将磁通门传感器输出的磁场模拟信号(±10V)转换为对应磁场磁感应强度的数字信号，通过RS485接口输出，采样速率高达200ksps ，输出传输速率高达1ms/次，分辨率高达0.1nT(1μG)。
磁通门传感器数据采集单元FDU101的电源非常有特色，为单路4.5VDC-36VDC 宽幅电源。
电力供应不足或者供电设备故障等情况会导致电压不稳，容易造成测试数据不稳定或硬件损坏。
宽幅电压供电，有效保证了在电压不稳定的情况下，磁通门传感器数据采集单元FDU101的稳定运行，极大提高了可靠性。
多个磁通门传感器数据采集单元FDU101组成分布测试系统，非常适用于各类空间变化磁场的同步测试、环境空间磁场分布测量、磁性船模磁场测量实验及梯度磁场的分布测试；应用领域包括航空航天、船舶制造、科研、工业探伤等。
特性●作为磁通门传感器的供电单元●作为磁通门传感器的数据采集单元●电源：4.5VDC-36VDC ●可连接一个三维磁通门传感器●兼容Bartington 品牌的磁通门传感器●电路精度高达0.05%●采样速率高达200ksps ●分辨率高达0.1nT(1μG)●输出数字信号(RS485)●输出传输速率1ms/次●数字化一个三维磁通门传感器●精度：0.05%●分辨率：0.1nT(1μG)数据采集单元—卓越的磁场测量解决方案软件界面SMART 电脑软件具有高达7位的数据显示位数，而且具有丰富的功能：1、可以自动记录和显示趋势图曲线；2、可以实时显示磁场强度XYZ 分量值及矢量值、最大值、最小值；3、选择切换DC 测量模式和AC 测量模式；4、可以实时记录保存磁场强度数据等。
数字磁传感器解决方案
ON 和OFF 状态之间切换。
这种类型的基础上的物理原理的装置的霍尔效应，一种持久的解决方案，因为它们没有机械磨损，甚至可以在特别恶劣的环境条这要归功于非接触式操作、无需维护、坚固耐用以及抗振、防尘和抗液体等特性。
例如，在汽车领域，这些传感器用于检测位置、距离和速度。
在发动机内部，它们用于识别曲轴的位置，在乘客舱中，它们用于检测座椅和安全带的位置（操作安全气囊控制系统的基本信息），在车轮上，它们用于检测检测ABS 所需的旋转速度。
1.工作原理每个磁传感器的核心由霍尔元件表示，其输出电压（也称为霍尔电压，用V H 表示）与通过半导体材料的磁场强度成正比。
由于该电压非常低，只有几微伏的数量级，因此有必要在其他组件（例如运算放大器、电压比较器、电压调节器和输出驱动器）的设计中包括在内。
根据输出的类型，磁传感器分为线性（模拟输出电压随磁场强度线性变化）和数字（输出只能呈现两种状态）。
在这两种情况下，V H电压都满足以下等式：V H = R H · ((B · I) / t)其中：V H 是以伏特为单位的霍尔电压，R H 是霍尔效应系数，I 是以安培为单位流过传感器的电流，t 是以毫米为单位的传感器厚度，B 是以特斯拉为单位的磁通密度。
图1显示了通用线性霍尔效应传感器的框图，而图2的框图指的是数字传感器。
霍尔元件如图 1 所示由带有“X”的方框组成，根据类型，传感器可能包括多个相同类型的单元（需要两个单元来检测差分磁场，三个用于检测方向或运动）。
为了增加接口的灵活性，模拟传感器通常包括一个发射极开路、集电极开路或连接到差分放大器输出端的推挽晶体管。
两种方案之间的主要区别在于，具有数字输出的传感器包括一个连接到运算放大器的具有内置迟滞的施密特触发器。
图1：线性（模拟输出）霍尔效应传感器的框图当通过传感器的磁通量超过某个阈值时，输出从OFF 切换到ON。
磁滞用于消除传感器进入和离开磁场时输出信号的任何振荡。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
济耐用，非常适合于磁场的高精度测量
磁通门传感器应用场合
军事领域
潜艇探测、航空磁测量、
电子罗盘、全球定位系
统等
01
03 生物领域
微磁标签检测和编码、心脏 瓣膜假体检测等
应用场合
民用领域
电流检测、石油测井、车辆 检测、无损探伤等
02 004
4 医学领域
尘肺病检测等
微型磁通门传感器发展动力
磁通门多采用线圈铁芯的结构，这是由其工作原理决定的。传统磁 通门的制作通过在高磁导率的铁芯上进行线圈的机械缠绕来完成， 这就使得磁通门存在诸如体积和质量偏大、装配误差大、生产成本 高、空间分辨率差等问题，这些固有缺0点4 很难消除，极大的限制了 磁通门在一些场合下的应用，比如小型无人机、小型卫星、便携式 设备、微型电子罗盘、生物分子检、小型电流传感器等等，因此进 行磁通门的微型化研究是非常必要的。
微型磁通门提高空间分辨率，拓展工作
频率
0022
大规模降低制造成本，推广 其应用
0011
0303
04
提高结构匹配性
04
解决了传统磁通门铁芯和线
圈不匹配的问题，极大的减
小了批次误差和装配误差
扩展工作频率
采用薄膜铁芯和微型线圈， 激励频率可以达到几十kHz甚 至几MHz
门用的带材有明显的性能差距，影响微型磁通门的功耗和噪声
三维螺线管线圈微加工工艺研究 04
• 采用电镀工艺制备三维螺线管线圈，存在着速率慢和需要平坦 化的问题，降低了可制造化水平
MEMS磁通门传感器应用解决方案
不同磁传感器磁场测量范围比较
磁通门传感器主要用于测量接近地磁场强度 的磁场，可应用于磁罗盘、矿物勘探等方面
不同磁传感器性能指标对比
线性范围
霍尔元件 Sentron CSA-IVG
5mT
AMR (Philips KMZ 51，Honeywell HMC1001)
300uT
带翻转 和反馈的 AMR（KMZ
51） 300uT
磁通门 Billingsley TFM100
100uT
尺寸
6mm
6mm
6mm
15mm
线性度
0.1<0.2%
1%
40ppm
20ppm
灵敏度温度系数
200ppm/K
600ppm/K
20ppm/K
20ppm/K
25℃漂移量
50uT
<10uT
<1uT
10nT
温度系数偏移量
600nT/K
100nT/K
2nT/K
0.2nT/K
RMS噪声（0.1-10Hz
1uT
）
剩磁误差
1uT
10nT(1nT) 300nT
10nT 10nT
<100pT <1nT
带宽
100kHz
100kHz
100kHz
3.5kHz
功耗
55mW
30mW
100mW
350mW
磁通门传感器的分辨率高、温度稳定性好、可靠性高、结构简单、经
微型磁通门传感器面临的问题
功耗急需降低 01
• 微型化没有显著降低功耗，相反由于释放出的热量集中在很小
范围内，直接威胁磁通门传感器的热稳定性
02
灵敏度与噪声有待改善
• MEMS工艺制备的铁芯性能普遍较差，使得微型磁通门的灵敏
度偏低，同时也会加剧微型磁通门的噪声
铁芯的磁性能需要提高 03
• 过磁控溅射、电镀等MEMS工艺制备的铁芯磁性能与传统磁通