双极型巨磁阻磁传感器偏置磁场的研究

双极型巨磁阻磁传感器偏置磁场的研究

0巨磁阻传感头的设计电网参数的正确、实时测量是电气系统稳定运行的先决条件。其中，电流测量对于电气监控和测量非常重要。此外,数字化电力系统也要求检测装置具备重量轻、体积小、智能化的特点。因此,研究新的电流测量手段以适应电力系统的发展趋势具有重要的现实意义。20世纪60年代半导体集成电路技术和70年代光纤传输技术的发展,为研究新型的电流互感器——电子式电流互感器(ECT)提供了技术支持。其中,利用磁敏元件对磁场强度的测量实现间接检测高压电流是重要的研究方向。巨磁阻效应是近10年来材料领域的研究热点之一,由于巨磁阻传感器具有良好的性能,得到了广泛的应用。巨磁阻效应是一种量子效应。当外磁场变化时,巨磁阻铁磁层的磁矩发生不同程度的偏转,相应地产生不同程度的电子散射,最终导致电阻随磁场变化。由安培环路定律,导线周围某定点的磁场强度与导线中的电流成正比,因此可通过巨磁阻阻值随磁场变化的特性间接测量电流。巨磁阻的输出特性研究是巨磁阻电子式电流互感器传感头的设计依据,目前主要集中在单极GMR传感器的特性分析,未曾见到研究双极线性GMR交、直流输出特性的文献。由于单极GMR的输出电压方向相同,为实现交流测量,得到双极输出效果,需加偏置磁场。这无疑增加了电流传感头设计的复杂程度和体积,降低了电流的测量范围和灵敏度,也增加了后续电子电路的处理环节容易引进系统误差,因此单极GMR用于交流测量并不是十分合适。基于上述原因,本文较全面地研究了双极线性巨磁阻传感器的静、动态输出特性,并对实验数据进行了分析和总结,为优化GMR电子式电流互感器传感头的设计提供了新的思路和实验依据。1自由层磁阻传感检测实验所用器件是国内某公司生产的自旋阀巨磁阻传感器。自旋阀的基本结构为“自由层/隔离层/被钉扎层/钉扎层”的多层膜结构。自由层为矫顽力小的铁磁层,磁化方向受外磁场控制,可以自由翻转;隔离层为非磁性层;被钉扎层为矫顽力较大的铁磁层;钉扎层为反铁磁层,通过交换偏置作用,将被钉扎层的磁矩“钉扎”在某一方向。通过外磁场控制自由层的磁化方向,从而实现自由层和被钉扎层的磁化方向的“平行”和“反平行”。传感器由4个巨磁阻元件首尾相接形成惠斯登桥结构,其中一对端子作为输入端,另一对端子是输出端,如图1所示。R1和R4为一组自旋阀电阻,R2和R3为另一组自旋阀电阻,箭头表示钉扎场(钉扎层的偏置磁场)的方向。当外磁场变化时,R1、R4和R2、R3的电阻变化趋势相反,理想情况下4个电阻相等设为R(0磁场情况下),因此输出电压为Uout=Us(R+ΔR)R+ΔR+R−ΔR−Us(R−ΔR)R+ΔR+R−ΔR=UsΔRR。(1)Uout=Us(R+ΔR)R+ΔR+R-ΔR-Us(R-ΔR)R+ΔR+R-ΔR=UsΔRR。(1)式中,Us为GMR传感器的工作电压;ΔR为磁场作用下,GMR单条传感器电阻变化量的绝对值。2巨磁阻测试系统为准确测试巨磁阻在交直流磁场中的输出特性,自制了跑道磁体和调节巨磁阻位置的样品架,如图2、3所示。磁体中间部分可以产生近似的匀强磁场,样品架顶端的调节杆通过同步带带动底端的样品板旋转,调节巨磁阻芯片的最佳敏感位置。测试时将样品架置于磁体的内部空间,磁体接入高精度电流源(见图4)。实验所需的交直流电源采用程控电流源以驱动磁体获得精确的稳定匀强磁场。多数传感器的输出会受温度影响,因此在巨磁阻同一平面的近处安置了Pt100温度传感器监测温度的变化。巨磁阻和Pt100的输出信号分别连接到两台Keithley2000万用表,计算机通过GPIB总线访问Keithley2000所采集到的两路电压信号,并将数据和信号曲线实时显示到屏幕上。3性能的测试和分析3.1巨磁阻电压的测量图5为所构建的双极线性GMR静态特性测试平台。磁体接入直流电源两端,通过程序可以调节电流强度的大小和方向从而控制磁体中的磁感应强度和极性。巨磁阻电压输出为正时的磁场方向作为正参考方向,调节电流源使电流在±30A的范围内变化,变化量为±1A。每次电流改变后对电压信号采样10s,Keithley2000显示巨磁阻输出电压在μs量级内波动,将10s内采样得到的数据的算数平均值作为巨磁阻的实际输出电压。在室内温度为20°C时得到下面的测试分析结果。3.1.1磁体输出电压与电流的关系图6描述了电流I从-30A缓慢变化到+30A时,巨磁阻的输出电压U随电流变化的描点曲线。从图中可以观察到,在-10A～+10A的范围内,巨磁阻的输出电压表现出良好的线性度,当电流的绝对值>15A时,输出电压逐渐趋向饱和。用高精度磁场计标定磁体内的磁场磁感应强度B,电流每变化±1A,B变化±2.6mT,绝对误差<0.05mT,可以认为磁体内的电流和B是成正比关系的。以B为横坐标,得到各电流下的磁感应强度B与巨磁阻输出电压U的关系如图7的平滑曲线所示。截取-10A～+10A对应的磁场范围为线性区间,利用最小二乘拟合法,得到直线拟合方程U=17.596B+4.4295,相关系数r=99.98%。3.1.2实验曲线的测定按相同操作程序,将电流从+30A逐渐减小到-30A,得到图8、9所示的实验曲线。拟合方程U=17.693B+5.7361,相关系数r=99.97%。3.1.3传感器的动态特性将上述正反循环过程进行比较,可以看到两个过程的输出特性曲线几乎完全重合(见图10)。分析计算GMR在-10A～+10A和+10A～-10A两个相反过程中输出的电压信号实验数据,得到表1所示的静态性能指标。对比正反过程可以得出:1)该双极GMR传感器的性能比较稳定,正反过程几乎具有相同的灵敏度和线性度。2)正反过程都存在一定的零点漂移,主要原因是受制造工艺的限制,使得桥臂巨磁阻元件很难做到完全对称。3)有一定磁滞和重复性误差,这是由于磁性材料存在不同程度的磁滞效应的缘故。如果能在材料的制造工艺上有所突破,将会降低磁滞效应,减小误差。3.2温度对实验曲线的影响巨磁阻在不同温度下的输出特性如图11所示。随着温度的升高,巨磁阻的饱和场强降低,线性区间变小,灵敏度降低。在-5A～+5A的范围内,3条实验曲线具有较好的重合度,但是随着电流的增大,越接近饱和区,3条实验曲线的差别越明显。经过分析计算,零点温度漂移1.65%,量程温度漂移8.12%。温度漂移的原因是随着温度的升高,巨磁阻元件阻值减小和磁阻变化率减小的缘故。因此在实际的应用中,要对温度变化产生的影响采取适当的硬件或软件补偿,可以采用多传感器信息融合,神经网络等技术降低温度的影响。3.3动态测试图12为所构建的双极线性GMR动态特性测试平台,主要由频率可调的交流电源和数据采集装置构成。3.3.1线性度+10a标准图13是将电流有效值从0增加到15A时,每次增长0.5A的工频特性曲线。当<10A时,具有良好的线性度,>10A时灵敏度缓慢降低。0～10A对应的磁场、电压输出如图14所示。拟合直线方程U=0.0178B+0.004,线性度Ef=1.22%,相关系数r=99.96%。和静态特性对照,两者的线性度和灵敏度比较接近。这说明基于双极线性GMR传感器的电子式电流互感器可以实现交、直流测量,而不是单一的直流或交流测量。3.3.2谐波电流对电子式电流传感器测试结果的影响我国输配电网的额定频率为50Hz,由于使用特殊装置(非线性负荷,柔性交流输电系统,轨道交通),电网上会产生谐波,因此电子式电流互感器应具备一定的谐波检测能力。由于常规测量和继电保护用电流互感器的谐波要求不超过30次序列以及实验中交流电源的负载能力有限,只研究了巨磁阻从50～1600Hz时的幅频特性。为精确研究GMR的幅频特性,磁体输入电流有效值为1A,频率f从50Hz开始每次增加10Hz,增至350Hz时发现GMR输出电压有效值无任何变化;从350Hz开始,每次增加50Hz,加到1600Hz时巨磁阻的输出电压仍保持不变,如图15所示。这说明对于幅值相等的各次谐波电流甚至是非谐波正弦电流,只要没有使得巨磁阻饱和,巨磁阻输出的电压信号幅值也相等,并不会因为谐波频率的改变而改变,即具有恒定的幅频特性。因此在实际电流测量中,可以认为谐波电流并不会使基于巨磁阻式的电子式电流互感器产生比值误差。此外,频率特性只研究了巨磁阻的幅频特性,实际的电子式电流互感器除了幅值误差还有相角误差,有必要对巨磁阻的相频特性做进一步的研究。4gmr测量和测量设备展望实验测