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.588 北京科技大学学报 2006年第6期 果表明，该探测器可实现车辆探测，当车辆分别 膜加工成线宽为30m的磁电阻传感元件，将上 沿南北向、东西向通过AMR传感器上方时，传感 述元件进行封装、引线处理，即可得到AMR传感 器输出变化规律不同， 器芯片·实验装置由被测车辆、车辆探测器和计 1AMR传感器及车辆探测 算机等几部分组成， 实验用车辆探测器由三轴AMR传感器、 AMR传感器是利用铁磁材料坡莫合金的各 AMR传感器置位/复位控制电路、信号调理电路 向异性磁电阻效应制作的，能够测量沿传感器敏 及微处理器等几个部分组成，如图2所示，其中， 感轴方向的磁场的大小.这种传感器具有体积 三轴AMR传感器采用北京科技大学自行研制的 小、功耗低、灵敏度高、可靠性高、温度稳定性好、 AMR传感器芯片. 耐恶劣环境能力强、工作频带宽、易于与后续处理 -轴AMR 分满 带有ADC 电路匹配以及便于安装等优点[4]. 传感器 甲巾路 的微处理器 用于弱磁场测量的磁阻传感器的内部结构是 传感器位置/ 复位控制电路 一个惠斯通电桥，如图1所示，外部磁场强度（矢 量)的变化会引起四个桥臂的阻值发生相应的变 图2三轴磁传感器电路框图 化，电桥的差动输出也随之发生变化.在一定范 Fig.2 Block diagram of 3-axis magnetic sensor circuit 围内，电桥的差动输出与外部的磁场强度变化近 磁阻传感器在使用过程中，其精度、灵敏度会 似成线性关系， 受到外部磁场影响，如果外部磁场强度超出一定 范围，会导致磁阻传感器的灵敏度下降.为了解 决上述问题，新型的磁阻传感器芯片内部设有专 用的电流带，采用置位/复位功能来恢复磁阻传感 器性能，AMR传感器置位/复位控制电路通过产 生脉冲电流，使传感器内部磁畴复位，从而恢复传 GND 感器灵敏度.另外，采用置位/复位功能还可以解 决传感器桥路失调及其漂移 图1各向异性磁阻传感器的内部结构 信号调理电路主要由放大电路和同步积分电 Fig.1 Internal structure of AMR sensor 路组成，在测量过程中，磁阻传感器输出信号近 在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均 于直流.若不经过变换处理，此类信号的检测必 匀的，大约为0.5×10-4~0.6×10-4T.大的铁 须采用直流放大器，采用直流放大器时，漂移及 磁物体的磁扰动，如一辆汽车，可看作多个双极性 1/∫噪声将是影响测量精度的重要因素，在直流 磁铁组成的模型，这些双极性磁铁的综合影响是 背景信号和漂移信号较强的情况下，采用直流放 对地球磁场磁力线的扭曲和畸变，利用磁传感器 大器无法完成检测任务，在这种情况下，就需要 检测由于车辆干扰所引起的地磁场的变化，就可 首先通过斩波调制将直流信号变换为交流信号， 以实现车辆探测，3) 再进行交流放大和处理，以此来消除直流背景信 号和漂移信号的影响[68].针对本文的具体情况， 采用合适频率的传感器置位/复位信号将磁阻传 2 AMR材料制备及实验装置 感器的输出信号变换为交流信号，后续的信号调 理电路则配以交流放大和同步积分电路，通过以 本实验所用AMR材料的制备是在磁控溅射 上技术措施，保证了信号调理电路具有较强的干 仪中实现的，首先将单晶硅基片用有机化学溶剂 扰抑制能力，解决了外来电磁干扰和电路中寄生 和去离子水超声清洗，然后装入溅射室样品基座 热电势问题， 上，基片用循环水冷却，平行于基片方向加有 微处理器采用了TI公司的带有8通道24位 0.015~0.025T的磁场.溅射室本底真空3× 模数转换器的微处理器芯片MSC1210,并以此为 10-5Pa,在溅射时氩气（纯度为99.99%）压力为 核心组成相关数字信号处理电路.在软件配合 0.5Pa条件下依次沉积Ta(6nm)/Ni81Fe19(30nm)/ 下，该部分电路完成对经过信号调理的三轴AMR Ta(6nm);然后通过一般的半导体加工工艺将薄 传感器输出信号进行采样、转换、处理、存储，并能果表明该探测器可实现车辆探测．当车辆分别 沿南北向、东西向通过 AMR 传感器上方时传感 器输出变化规律不同． 1 AMR 传感器及车辆探测 AMR 传感器是利用铁磁材料坡莫合金的各 向异性磁电阻效应制作的能够测量沿传感器敏 感轴方向的磁场的大小．这种传感器具有体积 小、功耗低、灵敏度高、可靠性高、温度稳定性好、 耐恶劣环境能力强、工作频带宽、易于与后续处理 电路匹配以及便于安装等优点［45］． 用于弱磁场测量的磁阻传感器的内部结构是 一个惠斯通电桥如图1所示．外部磁场强度（矢 量）的变化会引起四个桥臂的阻值发生相应的变 化电桥的差动输出也随之发生变化．在一定范 围内电桥的差动输出与外部的磁场强度变化近 似成线性关系． 图1 各向异性磁阻传感器的内部结构 Fig．1 Internal structure of AMR sensor 在一个不太大的范围内地磁场基本上是均 匀的大约为0∙5×10—4～0∙6×10—4 T．大的铁 磁物体的磁扰动如一辆汽车可看作多个双极性 磁铁组成的模型．这些双极性磁铁的综合影响是 对地球磁场磁力线的扭曲和畸变．利用磁传感器 检测由于车辆干扰所引起的地磁场的变化就可 以实现车辆探测［13］． 2 AMR 材料制备及实验装置 本实验所用 AMR 材料的制备是在磁控溅射 仪中实现的．首先将单晶硅基片用有机化学溶剂 和去离子水超声清洗然后装入溅射室样品基座 上．基片用循环水冷却平行于基片方向加有 0∙015～0∙025T 的磁场．溅射室本底真空3× 10—5Pa在溅射时氩气（纯度为99∙99％）压力为 0∙5Pa条件下依次沉积 Ta（6nm）／Ni81Fe19（30nm）／ Ta（6nm）；然后通过一般的半导体加工工艺将薄 膜加工成线宽为30μm 的磁电阻传感元件．将上 述元件进行封装、引线处理即可得到 AMR 传感 器芯片．实验装置由被测车辆、车辆探测器和计 算机等几部分组成． 实验用车辆探测器由三轴 AMR 传感器、 AMR 传感器置位／复位控制电路、信号调理电路 及微处理器等几个部分组成如图2所示．其中 三轴 AMR 传感器采用北京科技大学自行研制的 AMR 传感器芯片． 图2 三轴磁传感器电路框图 Fig．2 Block diagram of3-axis magnetic sensor circuit 磁阻传感器在使用过程中其精度、灵敏度会 受到外部磁场影响．如果外部磁场强度超出一定 范围会导致磁阻传感器的灵敏度下降．为了解 决上述问题新型的磁阻传感器芯片内部设有专 用的电流带采用置位／复位功能来恢复磁阻传感 器性能．AMR 传感器置位／复位控制电路通过产 生脉冲电流使传感器内部磁畴复位从而恢复传 感器灵敏度．另外采用置位／复位功能还可以解 决传感器桥路失调及其漂移． 信号调理电路主要由放大电路和同步积分电 路组成．在测量过程中磁阻传感器输出信号近 于直流．若不经过变换处理此类信号的检测必 须采用直流放大器．采用直流放大器时漂移及 1／f 噪声将是影响测量精度的重要因素．在直流 背景信号和漂移信号较强的情况下采用直流放 大器无法完成检测任务．在这种情况下就需要 首先通过斩波调制将直流信号变换为交流信号 再进行交流放大和处理以此来消除直流背景信 号和漂移信号的影响［68］．针对本文的具体情况 采用合适频率的传感器置位／复位信号将磁阻传 感器的输出信号变换为交流信号．后续的信号调 理电路则配以交流放大和同步积分电路．通过以 上技术措施保证了信号调理电路具有较强的干 扰抑制能力解决了外来电磁干扰和电路中寄生 热电势问题． 微处理器采用了 TI 公司的带有8通道24位 模数转换器的微处理器芯片 MSC1210并以此为 核心组成相关数字信号处理电路．在软件配合 下该部分电路完成对经过信号调理的三轴 AMR 传感器输出信号进行采样、转换、处理、存储并能 ·588· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期