[發(fā)明專利]改型惠斯通半橋電路及傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310708848.5
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103645448A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葉友忠
• 申請（專利權(quán)）人: 葉友忠
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種傳感電路，具體涉及一種惠斯通半橋電路的改進，以及采用該電路的傳感器，用于微弱信號場精密檢測。

背景技術(shù)

傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通、航天航空、金融、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、及智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機、互動游戲等各個領(lǐng)域。

隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，迫切需要提高傳感器檢測微弱信號場的能力、檢測的穩(wěn)定性和降低成本，而抑制噪聲等外界干擾是提高上述性能指標的關(guān)鍵因素。

惠斯通電橋是一種常見的傳感器電路，檢測信號對電阻施加影響，例如根據(jù)檢測對象采用磁敏電阻、壓敏電阻、熱敏電阻等，改變電橋中的電阻阻值，以此檢測信號。通常使用抑制噪聲的方法為采用傳統(tǒng)的惠斯通半橋或全橋電路,然而傳統(tǒng)的惠斯通電橋電路要求電橋各個電阻的阻值完全一致。但在現(xiàn)實中，一旦由于批量生產(chǎn)工藝重復(fù)性問題以及在有偏置場時造成電阻阻值不完全相同時，其抑制噪聲能力將大打折扣。就目前工業(yè)界大規(guī)模生產(chǎn)水平，就算要百分百實現(xiàn)電阻阻值的不對稱性小于+/-1%都具有一定挑戰(zhàn)性。因此，往往還必須借助于各種信號濾波電路去濾除具有特定頻率的噪聲。

圖1示意了一種使用傳統(tǒng)的惠斯通半橋電路的傳感器示意圖。如圖1所示，在基板1上，由兩個電阻與導(dǎo)線組成了惠斯通半橋電路，其中，一個電阻5的阻值為R1，另一個電阻4的阻值為R2。兩個電阻間經(jīng)第一導(dǎo)線6構(gòu)成電連接，電阻5的另一端設(shè)有第二導(dǎo)線2，電阻4的另一端設(shè)有第三導(dǎo)線3。

兩個電阻的阻值分別為，

R1=R0-Rw+R1s+R1n?????????????????????????????(1)

R2=R0+Rw+R2s+R2n??????????????????????????????(2)

其中零場電阻R0為零場時的電阻R1和R2的平均電阻值；不對稱性電阻Rw為零場時電阻R1與R2阻值之差的二分之一；電阻不對稱性定義為Rw/R0，通常遠小于1；信號電阻R1s與R2s分別為電阻R1與R2因信號場所導(dǎo)致的電阻值的變化；噪聲電阻R1n與R2n分別為R1與R2因噪聲所導(dǎo)致的電阻值的變化。?

在檢測局部信號場時，來自外界的噪聲場梯度遠小于被檢測的信號場梯度。當電阻R1與R2間距遠小于噪聲場變化距離時，可以近似表達噪聲電阻為?R1n=R2n=Rn。

在對半橋電路施加偏置電壓Vin時,輸出電壓Vout為

Vout=Vin×R2/(R1+R2)

=?0.5Vin×[1+(Rw-(R1s-?R2s)/2)/[R0+(R1s+?R2s)/2+Rn]???????(3)

在無信號輸入時,?噪聲所導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為

Vn=0.5Vin×[1+(Rw/R0)/(1+(Rn/R0)]??????????????????????????????????(4)

當有偏置場時,?噪聲導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為

Vn=0.5Vin×[1+(Rwb/Rb)/(1+(Rn/Rb)]???????????????????????????????????(5)

其中,?偏置電阻Rb=R0+dRb，dRb為偏置場所導(dǎo)致的電阻值的變化；Rwb=Rw+dRwb，dRwb為在偏置場下R1與R2的電阻值差值的二分之一。在恒定偏置場下，Rwb/Rb=Rw/R0；在梯度偏置場下，通常Rwb/Rb>Rw/R0。

顯然,兩個半橋電阻阻值的不對稱性Rw導(dǎo)致了輸出信號中的噪聲響應(yīng)，降低該不對稱性(Rw/R0)有助于抑制噪聲。然而，減小電阻不一致性受到生產(chǎn)工藝和裝配能力的限制。

施加偏置磁場可激勵磁信號而大幅提高信號強度，有利于提高信噪比。但是，非恒定的梯度偏置磁場會增加電阻不對稱性(Rw/R0)。?此外，盡管可以采用大偏置場有利于通過(Rw/Rb)降低不對稱性，?偏置場大小受到不能過量偏置而導(dǎo)致磁阻飽和的限制。

因此，單靠傳統(tǒng)半橋的一階項[(Rw/R0)/(1+(Rn/Rb)]來衰減噪聲的效果有限。?

圖2示意了噪聲對一個使用傳統(tǒng)的惠斯通半橋電路的磁傳感器輸出信號的影響。其設(shè)置為，磁阻為磁阻率200%的隧道磁阻，兩個隧道磁阻的磁場敏感方向相同，其零場電阻的不對稱性為+/-1%，無外加偏置場，一個恒定的點信號磁場源由傳感器上方近距離先經(jīng)過R1再經(jīng)過R2，信號磁場所產(chǎn)生的最大電阻變化為零場電阻的0.002%，并在半橋電路上方用一個通過三角函數(shù)電流導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場來模擬環(huán)境噪聲干擾。