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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 11 頁 基于三維靜態(tài)磁場分析技術(shù)研究超小磁阻式傳感器測量系統(tǒng) 在這項(xiàng)研究中,提出了一種建模過程中一個超小鐵磁構(gòu)件的磁電阻(GMR)傳感器系統(tǒng)的概念。模型的目標(biāo)是為高度集成的靈巧機(jī)器人的手設(shè)計合適的角度傳感器系統(tǒng)。當(dāng)其他磁場干擾主要的領(lǐng)域時,一個3 D的靜態(tài)磁場分析建模是用來避免被過多的磁性強(qiáng)度和定向障礙損壞傳感器。利用有限元結(jié)果,適當(dāng)?shù)男螤詈痛笮〉蔫F磁組件進(jìn)行了比較和優(yōu)化。一個簡化的信號處理電路也是如此給出了超小GMR傳感器系統(tǒng)。 最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明角精度小于1只有剩余偏移補(bǔ)償超小GMR傳感器系統(tǒng)的表達(dá)式。揭示了在理想尺寸下集成經(jīng)驗(yàn)帶來的挑戰(zhàn)以獲得所需的能力。 1。介紹 一般來說,在各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域中進(jìn)一步系統(tǒng)小型化肯定會創(chuàng)造一個連續(xù)的要求縮小的傳感器函數(shù)[1]。當(dāng)發(fā)展傳感器測角信號微型系統(tǒng)時,顯而易見,基本傳感器有很多的局限性和缺陷(如大小,工作距離、準(zhǔn)確性和抵消)來阻礙設(shè)計師完成所要求的規(guī)格。提高傳感器的基本性能,其中的一種選擇是去嘗試提煉傳感器本身使用更好的材料,生產(chǎn)方法等。這種選擇一般一個比一個昂貴。另一種選擇是將傳感器放入系統(tǒng),這個系統(tǒng)具有獨(dú)特提高傳感器性能的目的。一個傳感器的研制重要趨勢是已進(jìn)入傳感器系統(tǒng)[2]。因此,對于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的整合以及其他高度綜合系統(tǒng)而言,進(jìn)一步的縮放傳感器系統(tǒng)是必須的。 作為一個磁場傳感器,與其他種類的傳感器相比GMR傳感器提供了幾個主要優(yōu)點(diǎn)(例如靈敏度高、非接觸式縮微尺寸安裝和無損耗工作)[3,4]。然而,磁場感應(yīng)系統(tǒng)不可避免地包含應(yīng)用鐵磁要求部分[5]。這些鐵磁元件目前作為傳感器本身的一部分,如在GMR傳感器。這種傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的,他們的綜合困難:如GMR傳感器存在的問題,包括鐵磁安裝組件裝配空間有限,以及工作鐵磁構(gòu)件和GMR之間的距離傳感器芯片上,通常是1.5毫米或更久[6 -8]。注意,如果工作距離較小的情況下,磁性由鐵磁構(gòu)件強(qiáng)度通常是如此強(qiáng)大,它可以打破了它壓層,這樣的嗎永久損壞傳感器的元素。此外,獨(dú)立于它們的源頭GMR的傳感器橋?qū)嶋H上轉(zhuǎn)換為任何領(lǐng)域的方向?qū)﹄p組分信號[9].當(dāng)增加第二個磁場到主要領(lǐng)域時,產(chǎn)生的領(lǐng)域都重疊可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的方向的角測量錯誤。這兩個約束阻礙了應(yīng)用GMR傳感器的高度集成的領(lǐng)域。 在這項(xiàng)研究中,超小GMR傳感器系統(tǒng)只有0.5毫米的工作距離,并推導(dǎo)出了由其他磁場迷失方向,避免了補(bǔ)償根據(jù)三維靜態(tài)磁場分析技術(shù)。本文首先介紹了GMR的概念傳感器和有限元模型。其次,形狀鐵磁構(gòu)件和大小進(jìn)行了比較優(yōu)化利用三維靜態(tài)磁場分析結(jié)果。然后一個簡化的信號處理電路連接方法。最后獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相比較。 2。GMR傳感器概念 巨大的磁電阻很大的改變意味著在磁性多層膜超薄電阻。這基本GMR教材建設(shè)包括一個壓層和一個自由層,自由層會受磁場的影響。一個應(yīng)用磁場足夠的大小,范圍大于飽和度領(lǐng)域的自由層和小于對峙領(lǐng)域?yàn)閴簩?將迫使自由層磁化跟隨它在旋轉(zhuǎn)。有一個固定的參層磁化和一個同步跟蹤自由層磁化,相對于靜止轉(zhuǎn)子傳感器,磁電阻是一個簡單的余弦功能的角度。電阻R和一個自旋閥是相關(guān)的h之間的角度自由而磁壓層在接下來的方程 R/Rp=1+1/2GMR(1-cos) (1) 當(dāng)兩個磁化平行時,Rp是最小的阻力,GMR是最大的阻力.角度傳感器是用來結(jié)合平面永磁綁在一個活動軸(轉(zhuǎn)子),如圖1。永磁磁化后生成一個領(lǐng)域,這個領(lǐng)域是平面上的傳感器芯片和旋轉(zhuǎn)的軸。這一領(lǐng)域使自由層磁化和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同相位。因此,輸出信號是角的正弦函數(shù)。由于永磁、傳感器設(shè)計和他們相同的軸向結(jié)構(gòu) , 磁鐵及傳感器間的距離,或工作的距離,確定了作用于自由層SV電阻器的磁場大小和分布。這基本要求的工作距離是作用于自由層最低的場是足夠大的能夠使其飽和,最高的場不會破壞參考層[7]. 圖1 3。有限元建模(FEM) 有限元建模的方法是基于離散化的解決方案將領(lǐng)域分成較小的地區(qū)。程序?qū)⑹褂名溈怂鬼f方程組為電磁場分析的基礎(chǔ)。在磁的靜校正問題,未知的數(shù)量(自由度)通常是磁矢量,并且用多項(xiàng)式的形函數(shù)的方法估計。其他磁場數(shù)量如磁場通量密度、磁性強(qiáng)度,電流密度、能源、力量、損失、電感和電容源自于自由度[10]。元素的尺寸必須有足夠小提供足夠的[11]精度。通過這種方式,微分方程組連續(xù)的問題可以轉(zhuǎn)化為一個系統(tǒng)代數(shù)方程組為離散問題。這實(shí)際問題常需要幾千未知的。然而,合適的數(shù)值技巧被開發(fā)了,能夠在合理的時間解決這類系統(tǒng),即使在個人電腦上使用。 作為一個高度集成的機(jī)電系統(tǒng),機(jī)器人手必須完成復(fù)雜的任務(wù),例如好的操縱,經(jīng)常需要獲得足夠的準(zhǔn)確的角信號來實(shí)現(xiàn)一些控制策略[12]。因此在傳感器系統(tǒng)中擺角傳感器是一個非常重要的角色,傳感器系統(tǒng)及其信號精度直接影響控制效果。具有靈敏度高、縮微尺寸GMR傳感器非常適合高度集成系統(tǒng),像DLR/HIT五指靈巧機(jī)械手。 如上文所述,盡管GMR傳感器有益處,但在高度集成應(yīng)用中仍然有一些缺陷。因?yàn)樵诟叨染C合的系統(tǒng)工程中,它沒有足夠的空間來安裝傳感器和永久的磁鐵,然后傳感器系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分利用有限的空間。例如,在DLR/HIT五指靈巧機(jī)械手中,軸傳感器和GMR晶片表面的距離只有0.5毫米(如圖2)。通過機(jī)器結(jié)構(gòu),有兩種類型的永磁體的運(yùn)動軌跡可以嵌入到軸結(jié)束。一個圓柱體、另一個是立方體。為了確保足夠的力量和避免的干擾,直徑的圓柱永磁體的運(yùn)動軌跡應(yīng)小于或等于2.5毫米,立方體永磁應(yīng)的長度小于或等于6毫米,雙方厚度應(yīng)小于或等于1毫米。面對有限的空間的問題和精確的角度信號需求,并考慮成本和時間對傳感器的發(fā)展來說,先生產(chǎn)永磁然后通過測量儀器測量它是不行的。因此,我們提出了一個有效的方法:采用三維靜態(tài)磁場分析技術(shù)設(shè)計的類型的永磁來保證適當(dāng)?shù)姆较蚝痛笮〉拇艌鲱I(lǐng)域。 圖2 為了不擾動磁場,動軸是采用非磁性不銹鋼材料。那么模型可以簡化,只有永久性的磁體進(jìn)行了分析,分析計算的負(fù)擔(dān)大大減輕了。這里分析的永久磁鐵是由NdFeB35材料,剩磁等于1.2340 T和抗磁力等于11339 / m。三維有限元分析的圓形永磁磁體模型和一個立方體是分別建立的,它們的空間磁化矢量分布也顯示。圖3(a)顯示一個空間磁化矢量分布所產(chǎn)生的鋼瓶永磁(2.51mm),圖3(b)代表一個空間磁化矢量分布產(chǎn)生的被一個立方體永磁(621mm)。從本圖中,我們可以看出磁化矢量由立方體永磁比鋼瓶永久性磁鐵更平坦。這是因?yàn)檫@個立方體的長度永磁比鋼瓶永久性磁鐵。而GMR傳感器芯片只有敏感芯片的平行層面,而不是嗎波比晶片,所以立方體永磁體的運(yùn)動軌跡比圓柱永磁申請嗎GMR的傳感器進(jìn)行了論述。 圖3 然而,GMR材料不但要求方向磁化矢量的,但也需要在其工作范圍內(nèi)磁場強(qiáng)度的大小,這樣可以避免傳感器元素傷害和信號破壞。因此,分布磁性強(qiáng)度在有限的空間必須達(dá)到。幸運(yùn)的是,3 D靜態(tài)磁場分析技術(shù)可以讓這些問題容易解決。在三維有限元軟件的幫助下,我們獲得三維磁場不同的永磁場分布類型。從單傳感器芯片GMR號,我們知道工作范圍都是從2388A/米到15920 A /米,即圖4 ,5中的B和C。這意味著GMR的傳感器芯片之間必須域B和C。圖4顯示一個空間分布的磁場強(qiáng)度級(上限飛機(jī)沿X = 0毫米和Z = 1毫米)所產(chǎn)生的一個立方體永磁體的尺寸是621mm. 從圖上,就可以看出,大多數(shù)的GMR的傳感器芯片范圍在超過工作范圍的A和B。因此GMR傳感器芯片無法正常工作,我們必須找到一個方法使GMR傳感器芯片在其工作范圍,即范圍B和C。 圖4 圖5 眾所周知,磁場強(qiáng)度的大小可以通過減小永磁體的寬度和厚度而減小?；谌S靜磁性分析技術(shù),其大小可以一步一步的減少直到足夠的磁場強(qiáng)度.而不是首先生產(chǎn)不同尺寸的永久磁鐵,然后測量方法,最后,獲得大小合適的永磁(如圖5所示)。從圖,我們可以看出整體GMR傳感器芯片范圍是在B和C之間,因此尺寸(621)是正確的,它可以產(chǎn)生足夠的磁性強(qiáng)度。此外,模擬結(jié)果可以把其它永磁體放在工作范圍之外從而避免影響。而且它也可以用來成功地補(bǔ)償數(shù)字圖像處理的偏差。 4。信號檢測和處理 以得到一個高的傳感GMR的電阻變化信號的最好方式是建立一個單臂電橋和敏感的級差電壓。在這種情況下,為獲得最高的電阻變化兩種截然相反的參考層是必要的(圖6)。一座橋可以測量180 度角范圍,因此有必要建立兩個正交橋梁檢測的角度0—360。在這種情況下,我們一共需要四個不同磁化方向,這些方向確定角度方向的測量和旋轉(zhuǎn)芯片的方向。 圖6 與此有關(guān)GMR資料的百分比大約是5%。這意味著振幅輸出信號太小而不能滿足高角度檢測精度的需要,所以一雙模擬乘數(shù)和四個低通濾波器的信號檢測電路是用來提取信號的振幅和它的階段。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡單,低元件,低成本,體積小。 以正弦信號為例,第一個低通濾波器有一個并聯(lián)反饋電阻的電容器,所以電路在由公式Fc=1/(2 3dB)確定的3dB后有一個6dB. 輸出電壓下面這拐角頻率由(2)式確定。。這條電路可以被看作是一個在Fc之上很好分析的AC積分電路。然而,時域響應(yīng)是一個一個單一的筋RC,而不是一個整體。由于偏置電流誤差,并聯(lián)組合的R3和R4的選用應(yīng)等于并聯(lián)組合R1和R2.放大器應(yīng)該能夠得到補(bǔ)償,不論是增益的還是一個內(nèi)部都可以使用的放大器. (2) 第二個過濾器是一種低通濾波由C2和R5形成的,可以模擬將噪音減少到最少和有效的限制了系統(tǒng)的有效譜域。因此這個過濾器的截止頻率由公式FRC=1/(2R5C2)確定. 5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 由上述解釋的方法發(fā)展的超小GMR傳感系統(tǒng)滿足了角測量的要求,并且提高了DLR/HIT 5指機(jī)器人的水平.(如圖七所示) 圖7 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型的正確性。一個恒定電壓到橋(如圖6),在一個共同的直流偏置一半的電壓+ 3.3 v的作用下,輸出電壓Vsin_in是正弦函數(shù)而且Vcos_in是一個在角度GMR傳感器芯片和轉(zhuǎn)動軸之間的余弦函數(shù). 通過正弦余弦曲線和理論(如圖8),輸出信號被一個微控制器捕獲并在0.5mm的工作距離繪制。誤差測量值和理論值也顯示在圖9。曲線圓圈代表與正弦誤差和曲線二乘余弦誤差。 圖8 圖9 根據(jù)這兩個測量值的四象限倒數(shù)切線函數(shù),這個角通過測量正余弦函數(shù)而提取。得到的角度沒有不連續(xù)或死角超過滿360(顯示在圖10)。 圖10 絕對的非線性的定義是:用一個統(tǒng)一的斜率表示偏離最佳線性的偏差。由于360的周期性ALL經(jīng)常被選擇。360度的一個旋轉(zhuǎn)磁場測量結(jié)果表明在沒有任何剩余的偏置補(bǔ)償情況下ALL的誤差是6度。如圖(10)一個二次諧波的ALL被觀察(沖曲線),這種ALL類型的來源是偏模增益和非正交傳感器軸線。 可以看到ALL周期性的重復(fù)。因此,一個周期位移誤差可使用補(bǔ)償測量信號。偏移補(bǔ)償后,角誤差(實(shí)曲線)是小于1,即滿足需求角的測量5指機(jī)械手和許多其他的應(yīng)用。 6。結(jié)論 基于三維靜態(tài)磁場分析技術(shù),超小GMR傳感器系統(tǒng)只有0.5毫米的工作距離為DLR/HIT II 5指機(jī)器手最新開發(fā)的.通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,GMR的傳感器系統(tǒng)的輸出特性都獲得了,如測量范圍、準(zhǔn)確性、工作距離和可重復(fù)性。它也有微尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn),所有這些,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量傳感器的缺點(diǎn),如體積大、復(fù)雜性、成本較高的問題,嚴(yán)格要求的工作環(huán)境和裝配難度。這項(xiàng)工作也已經(jīng)為進(jìn)一步研究磁傳感器可用于微傳感器系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的和高度整合的系統(tǒng)建立了一個好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 基于殼聚糖納米電子機(jī)械系統(tǒng)等問題 微機(jī)械電子學(xué)研討會 2005 C.Hierold.C.Stampfer,T.Helbling,et al [2] 傳感器微系統(tǒng) 第20界微電子國際研討會 1995 R.S.Popovic,J.A [3] 磁敏傳感器 汽車傳感器與執(zhí)行器應(yīng)用 2001 C.P.O. 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