一种较大驱动电流的锑化铟磁阻式齿轮转速传感器设计（一）

HEATS

  一、引言
    锑化铟齿轮转速传感器是一种测量旋转物体转速的装置 ，由敏感元件和处理电路组成，其中，敏感元件采用半导体锑化铟薄膜磁阻元件制成。这种传感器具有灵敏度较高、结构简单、生产成本低、应用范围广等优点[1][2]，具有较强的实用性。但是用半导体锑化铟生产的转速传感器往往也存在一些缺陷，如半导体材料温度系数较大，环境温度改变时可能导致输出误报现象；此外，在实际生产中，还要考虑锑化铟磁阻的静态阻值允许有一定不对称性和离散性。基于以上两个特点，本文有针对性地设计了电路，抑制了温漂的影响。 % R- j P6 h! u

9 x' E- P$ w5 X' U. K* [

    二、锑化铟齿轮转速传感器的工作原理
    半导体锑化铟InSb转速传感器的工作原理的理论基础是磁阻效应，即磁感应强度变化引起磁敏电阻的电阻率改变。对于n型半导体材料 0 I4 ~: n8 V; F1 B

控制工程网版权所有

，当两种载流子迁移率相差相当悬殊而且空穴迁移率小到可忽略不计时，其电阻率的变化可表示为[3]：
    （rB-r0）/r0=0.273mn2B2  &nb 1 ?8 p" C9 Y5 l; i4 ]0 R# i" x; P* Q1 E+ Qsp;                                             
    (1)
    式中：B—磁感应强度；
    rB、r0—磁感应强度分别在B和0时材料的电阻率；
    mn—半导体材料中电子迁移率。
    InSb材料具有电子迁移率高的特点，室温下质量良好的n型InSb的电子迁移率可高达78000cm2/V•swww.cechina.cn，是制作磁敏电阻的合适材料。如果用薄膜工艺制造的锑化铟铟（InSb-In）共晶体薄膜代替锑化铟单晶体，可以克服用传统工艺制磁阻元件时须采用把单晶切片再研磨减薄工艺的许多缺点，节约了材料，提高了效率。

    锑化铟磁头工作原理见图1，它由两个InSb­-In共晶体磁敏电阻 MR1和MR2、基片和永磁体等构成。永磁体中发出的磁力线在空间中是发散的，有一部分穿越基片和磁敏电阻到达表面，且分布基本对称。当齿轮划过磁头某一磁阻附近的瞬间，磁力线密度在这个磁敏元件处增加，而在另一个磁敏元件处减小，从而导致两个磁阻元件的阻值一个增加，一个减小。由于磁头由稳压源供电（如图2），由欧姆定理可知：在两个磁敏元件连接点处输出电压Va发生变化，即磁头输出随之变化的电信号，这个信号的频率可以反映齿轮旋转快慢。

    三、信号处理电路的设计
    信号采集电路采用磁阻三端差分型输出电路（如图2），这种信号采集电路具有输出信号较大和较强抑制温漂的能力。

# x2 |: i; `1 {! t6 H

    信号处理电路采用阻容耦合型差动放大电路（如图3），IC1和IC2为两级差动放大CONTROL ENGINEERING China版权所有，改变R3、R4、R5和R6的阻值可以调整放大倍数。运放的静态电压由R1和R2来调节，考虑到通常磁头内的上、下两个磁阻元件不完全平衡，MR1与MR2的阻值会有10%以内的差别，在＋5V的工作电源下，信号采集的输出端电压会在2.4V～2.6V之间。为了减少信号在磁头与运放之间阻容耦合中的损失，一般把集成运放静态电压设置为低于2.5V，取2V比较合适。IC3为电压比较器，电阻R7和R8用来调节比较器基准电压。磁头输出的微弱信号经过两级电压放大和电压比较器后输出为矩形脉冲。

# f' P+ A% i+ [7 l

    比较器输出的脉冲驱动电流有限，一般不采用此脉冲直接驱动负载，而是经过一驱动级电路。比较器输出脉冲作为驱动级的输入信号，再由驱动级输出脉冲向外提供驱动信号。目前常用的驱动方法是集电极开路驱动法，而实际上这种方法存在驱动电流小和输出的高电平不稳定等缺点。下面介绍一种采用TTL推挽输出的驱动电路。

+ o2 Y+ B) c, G' S9 k- z, u- k

    四、采用TTL推挽输出的驱动电路的测量实验
    下面通过实验分别对磁头